Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка автоматической системы обеспечения безопасной экстренной посадки беспилотных летательных аппаратов самолетного типа с применением интеллектуальной бортовой системы технического зрения

Докладчик: Ким Николай Владимирович

Должность: профессор, Профессор

Цель проекта:
Целью работы является обеспечение возможности широкомасштабного применения беспилотных летательных аппаратов в гражданском секторе, включая применения БПЛА для решения транспортных проблем (наблюдение за объектами транспортной инфраструктуры, грузоперевозки и д.р.) за счет повышения безопасности полетов БПЛА. Можно выделить следующие задачи данных прикладных научных исследований, решение которых необходимо для достижения поставленной цели: - Разработка алгоритма предварительной обработки изображений, предназначенного для обеспечения возможности поиска ориентиров в районе посадки на получаемых бортовой системой технического зрения изображениях; - Разработка алгоритма обнаружения ориентиров на предварительно обработанных изображениях; - Разработка алгоритма расчета положения и ориентации БПЛА на основании данных об обнаруженных ориентирах на месте посадки, а также параметрах бортовой системы технического зрения; - Разработка алгоритма формирования оценок текущего курса летательного аппарата, предназначенного для определения характера и величины управляющего воздействия, необходимого для обеспечения безопасности посадки; - Разработка алгоритма сверки положения БПЛА с поверхностью места посадки, предназначенного для оценки расхождения текущего положения БПЛА с посадочным положением БПЛА; - Выделение участков алгоритмов, обладающих алгоритмическим параллелизмом, и распараллеливание их на многоядерную архитектуру перспективного бортового вычислителя; - Разработка математической и компьютерной моделей автоматической системы управления БПЛА с интегрированной автоматической системой обеспечения безопасности экстренной посадки на основе технического зрения; - Разработка экспериментального образца специального программного обеспечения, реализующего разработанные алгоритмы.

Основные планируемые результаты проекта:
Результат 1. Результаты анализа научно-технической литературы и других материалов, относящихся к разработке интеллектуальных алгоритмов обработки изображений, поиска заданных ориентиров на изображениях, способов ускорения указанных алгоритмов, а также систем автоматического управления посадкой беспилотных летательных аппаратов:
1) обоснование выбора направлений исследований;
2) отчет о патентных исследованиях по ГОСТ 15.011-96.
Эффект - выбор оптимального пути, дающего наилучший результат при доступных ресурсах на выполнение ПНИ. Предполагается для решения задач ПНИ рассмотреть близкие аналоги из областей бортовых интеллектуальных систем, обеспечивающих управление посадкой БПЛА. Отличие от аналогов - большинство аналогов подобных исследований рассматривают либо конструктивные особенности реализации БПЛА и систем его управления, либо бортовые системы для выполнения посадки с использованием иных технических средств, например, при помощи GPS-навигации, радиомаяков, парашютов и т.д. Возможность превышения уровня техники обуславливается появлением новых научно-технических инструментов: новых эффективных алгоритмов машинного зрения, позволяющих выполнять посадку в условиях отсутствия связи с другими устройствами (например, спутниками и станциями GPS или ГЛОНАСС), не прибегая к использованию специальных средств для посадки (например, парашюта).

Результат 2. Алгоритм предварительной обработки изображений, предназначенного для обеспечения возможности поиска ориентиров в районе посадки на получаемых бортовой системой технического зрения изображениях.
Эффект - возможность выполнения специфической быстрой обработки получаемых изображений, существенно облегчающих последующий поиск заданных ориентиров.
Отличие от аналогов - будет исследована возможность применения нейросетевых и иных высокопроизводительных алгоритмов, позволяющих эффективно решать требуемые задачи без существенных затрат энергии при соответствующей аппаратной реализации.

Результат 3. Метод расчета координат летательного аппарата относительно ориентиров, найденных на изображении.
Эффект - позволит получать уточненные параметры положения и ориентации курса БПЛА (высота над посадочной полосой, боковое отклонение и угол наклона курса).
Отличие от аналогов - используемые методы расчета будут основываться на использовании системы технического зрения, в отличие от существующих способов посадки, использующих радиосвязь или иные средства.

Результат 4. Метод оценки текущей траектории БПЛА на основании ряда данных о рассчитанных последовательных положениях летательного аппарата относительно найденных заданных ориентиров (посадочных полос). Формулировка необходимых управляющих воздействий для обеспечения безопасности посадки.
Эффект - возможность производить сравнение безопасного курса с текущей траекторией и указывать характер и степень необходимого воздействия для системы управления полетом БПЛА, необходимые для выполнения безопасной посадки.
Отличие от аналогов - обычно положение БПЛА определяют на основании GPS данных. В данной работе метод основывается на использовании массива параметров положения и ориентации, рассчитанных при помощи специальных алгоритмов, а также на прогнозировании будущих положений БПЛА на основании рассчитанного массива параметров, что позволяет проводить корректировку траектории в режиме реального времени, благодаря чему обеспечивается актуальное реагирование различные экстренные ситуации.

Результат 5. Математическая модель оптимальной траектории посадки БПЛА, обеспечивающей максимально возможную безопасность посадки.
Эффект - модель, позволяющая определять оптимальный курс с точки зрения безопасности выполнения посадки беспилотным летательным аппаратом.
Отличие от аналогов - одной из важнейших целей модели является возможность своевременного реагирования на различные экстренно возникающие факторы. Другое преимущество по сравнению с аналогами — возможность рассчитывать данную модель на аппаратных ускорителях. Все это позволит в режиме реального времени адаптировать текущий курс в соответствии с требованиями безопасности.

Результат 6. Аннотированная база данных бортовых видеозаписей БПЛА, содержащая примеры визуальных сцен, наблюдаемых системой технического зрения.
Эффект - будут использованы для формирования обучающей и тестовой выборки алгоритмов машинного зрения и распознавания заданных ориентиров.
Отличие от аналогов - аналогов подобных баз данных не существует, по крайней мере, в открытых источниках.

Результат 7. Методы программно-аппаратного ускорения разработанных алгоритмов.
Эффект - позволит осуществлять обработку видеопотока непосредственно на борту БПЛА в режиме реального времени.
Отличие от аналогов - разрабатываемые алгоритмы будут адаптированы для исполнения на нейрочипах и других аппаратных ускорителях с параллельной архитектурой.

Результат 8. Компьютерная модель автоматической системы обеспечения безопасной экстренной посадки.
Эффект - дает возможность проведения имитационного моделирования и верификации модели на ранних этапах разработки.
Отличие от аналогов - поскольку подход к использованию интеллектуальной системы технического зрения для автоматического обеспечения посадки БПЛА за счет адаптации траектории посадки в реальном времени является оригинальным, сведений об аналогах не имеется.

Результат 9. Экспериментальный образец специального программного обеспечения (ЭО СПО) для автоматической системы обеспечения безопасной экстренной посадки.
Эффект - возможность апробации теоретических решений в ходе практических экспериментальных исследований.
Отличие от аналогов - отличие от аналогов обеспечивается совокупностью вышеприведенных отличий отдельных элементов системы

Результат 10. Программы и методики экспериментальных исследований ЭО СПО. Результаты компьютерного имитационного моделирования автоматической системы обеспечения безопасной экстренной посадки. Результаты экспериментальных исследований ЭО СПО, демонстрирующих возможность достижения целей ПНИ. Эскизная программная документация экспериментального образца специального программного обеспечения (ЭО СПО) автоматической системы обеспечения безопасной экстренной посадки. Проект технического задания на проведение ОКР по разработке автоматической системы посадки для беспилотных летательных аппаратов с применением интеллектуальной бортовой системы технического зрения.
Эффект - неотъемлемые составляющие ПНИ, обеспечивающие регламентированность процесса исследований и разработки и предсказуемость результатов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Задача автоматического обеспечения безопасной экстренной посадки должна являться неотъемлемой частью системы управления любым беспилотным летательным аппаратом, к которому предъявляются повышенные требования по надежности и безопасности выполнения полетов. Таким образом, можно говорить о высокой степени востребованности результатов данных ПНИ.
Из этого следует: возможная сфера применения результатов ПНИ очень широка, и включает в себя множество задач как гражданского, так и военного назначения.
Среди этих задач можно выделить задачи мониторинга транспортных систем, причем в первую очередь это мониторинг удаленных магистралей, проходящих через территории со слабо развитой инфраструктурой. В связи с большой протяженностью дорог России и наличием больших территорий с низкой плотностью населения, потенциальными объектами для применения данной технологии становится большая часть федеральных трасс и дорог местного значения. Использование БПЛА для мониторинга транспортных
систем способно увеличить скорость реагирования на сигналы о ДТП, дать возможность предупреждения водителей о различных опасностях, а также помогать в принятии решений в ряде других ситуаций.
Стоит упомянуть и задачи разведки удаленных и труднодоступных территорий (например, разведка территорий Арктики или разведка военных целей). Также тут зачастую требуется размещение дорогой аппаратуры на борту БПЛА для выполнения интеллектуальных задач различного рода, что существенно увеличивает затраты в случае потери летательного аппарата вследствие возникновения экстренной ситуации.
Другой важной задачей является транспортирование грузов как гражданского, так и военного назначения. Для данной задачи также критической является возможность обеспечения надежности полета, особенно в случае, если речь идет о грузах, обладающих высокой ценностью.
В целом, для автоматического выполнения беспилотным летательным аппаратом различного рода задач может потребоваться установка дорогостоящего оборудования на борт летательного аппарата, что, в свою очередь, потребует повышения требований к надежности и сохранности летательного средства, что и является основным назначением автоматической системы обеспечения безопасности экстренной посадки.
Достаточно важное преимущество предлагаемого подхода заключается в независимости автоматической системы обеспечения безопасной экстренной посадки от прочих навигационных систем и устройств на борту летательного аппарата, а также в отсутствии необходимости поддерживать какую-либо видеосвязь, радиосвязь или иной вид связи между БПЛА и базой наблюдения в реальном времени. Поэтому предлагаемая система может обеспечивать безопасную посадку для достаточно широкого спектра возможных экстренных ситуаций. Кроме того, стоимость внедрения системы достаточно не велика и не зависит от стоимости прочей аппаратуры, установленной на борту конкретного беспилотного летательного аппарата.
Социально-экономические эффекты от использования продукции (услуг), созданных на основе результатов данного исследования, проявятся в следующем:
а) улучшение потребительских свойств существующей продукции;
б) совершенствование технологических процессов;
в) повышение уровня автоматизации.

Текущие результаты проекта:
На настоящий момент выполнены следующие работы:
- Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, в том числе, обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты – не менее 15 научно-информационных источников за период 2009 — 2014 гг.;
- Выбор и обоснование направления исследований, проводимых в рамках ПНИ;
- Разработка и сопоставление вариантов возможных технических решений, выбор и обоснование оптимального варианта автоматической системы обеспечения безопасной экстренной посадки;
- Разработка алгоритма предварительной обработки изображений, обеспечивающего возможность поиска ориентиров в районе посадки на получаемых бортовой системой технического зрения изображениях;
- Разработка алгоритма обнаружения ориентиров на предварительно обработанных изображениях;
- Разработка алгоритма расчета положения и ориентации летательного аппарата на основании данных об обнаруженных ориентирах на месте посадки, а также параметров интеллектуальной бортовой системы технического зрения;
- Разработка алгоритма оценки текущего курса БПЛА с целью определения необходимого управляющего воздействия для обеспечения безопасности процедуры посадки;
- Разработка алгоритма сверки текущего положения БПЛА с поверхностью места посадки;
- Разработка классификации возможных экстренных ситуаций, при которых возникает необходимость в использовании автоматической системы обеспечения безопасной экстренной посадки;
В настоящий момент начаты работы по проведению патентных исследований по ГОСТ 15.011-96.