Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание технологии построения отказоустойчивых комплексных навигационных систем для беспилотных аппаратов с использованием технического зрения

Номер контракта: 14.574.21.0039

Руководитель: Черноморский Александр Исаевич

Должность руководителя: профессор

Докладчик: Жарков Максим Витальевич, Начальник НИО-305

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
комплексная навигационная система, беспилотный аппарат, роботизированное транспортное средство, техническое зрение, спутниковая навигационная система, глонасс, инерциальная навигационная система, контроль целостности, отказоустойчивость

Цель проекта:
Проект направлен на решение задачи повышения отказоустойчивости и точности программно-аппаратных решений бортовых навигационно-пилотажных комплексов в сложных условиях функционирования беспилотной техники. Целью реализуемого проекта является исследование и разработка комплекса научно-технических решений, направленных на создание технологии построения отказоустойчивых комплексных навигационных систем для беспилотных аппаратов с использованием технического зрения.

Основные планируемые результаты проекта:
Основным результатом проекта должна стать технология построения отказоустойчивых комплексных навигационных систем для беспилотных аппаратов с использованием технического зрения. Для получения основного результата должны быть получены следующие частные и промежуточные результаты проекта.
1. Комплекс научно-технических решений в составе:
- математические модели для обеспечения функционирования отказоустойчивой комплексной навигационной системы беспилотных аппаратов с использованием систем технического зрения (СТЗ): бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС); курсовертикали; системы первичной обработки информации от оптико-электронной системы (ОЭС); глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), включая погрешности определения дальностей, радиальных скоростей и набега фазы; навигационного комплекса (НК), с единым алгоритмом оптимальной обработки всей навигационной информации, с прогнозированием уровня точности оценки подсистем комплекса, с функцией обнаружения, оценки и исключения измерений содержащих возмущения, заранее неизвестной природы, уровня, времени возникновения и пропадания, превышающих требуемый порог;
- дискретные алгоритмы: БИНС, курсовертикали, системы первичной обработки информации от ОЭС, оптимальной обработки информации;
- метод построения НК, учитывающий требования беспилотного аппарата к точности и надежности определения параметров ориентации, навигации и определения координат реперных точек;
- математические модели и алгоритмы имитационного моделирования: траектории движения беспилотных аппаратов, внутренних и внешних возмущений различной природы, датчиков и систем, входящих в состав навигационного комплекса;
- методы калибровки и идентификации моделей погрешностей инерциальных датчиков, оценки характеристик работы БИНС комплекса на двухосном поворотном столе с термокамерой;
- технические решения для построения стенда имитации возмущений ОЭС;
- технические решения для построения стенда полунатурных исследований экспериментального образца НК на базе автомобильного транспортного средства.
2. Программный комплекс имитационного моделирования.
3. Стенд имитации возмущений ОЭС.
4. Стенд полунатурных исследований экспериментального образца НК на базе автомобильного транспортного средства.
5. Экспериментальный образец навигационного комплекса.
6. Результаты экспериментальных исследований созданных технических решений с использованием экспериментального образца, стендов и программного комплекса имитационного моделирования.
7. Результаты обобщения и оценки полученных результатов.
8. Предложения и рекомендации по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.
9. Технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов.
10. Проект ТЗ на ОКР по теме: «Разработка комплексной навигационной системы на базе инерциально-спутниковых систем и систем технического зрения для беспилотных аппаратов».
Перечисленные основные результаты обладают характеристиками, достаточными для создания технологии построения отказоустойчивых комплексных навигационных систем для беспилотных аппаратов с использованием технического зрения. Разработанные с использованием этой технологии навигационные комплексы будут обладать повышенной помехозащищенностью, что позволит использовать их для построения систем управления беспилотными аппаратами различного типа.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом, создаваемым с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта, являются навигационные комплексы беспилотных аппаратов различного типа, класса и назначения.
По мере роста числа задач и интеграции беспилотных аппаратов в общее пространство с управляемыми человеком воздушными и наземными транспортными средствами возникает задача повышения уровня точности определения параметров движения роботизированных транспортных средств (РТС), и, что более критично, обеспечения требуемого уровня надежности навигационного обеспечения РТС – целостности, доступности, непрерывности. Однако, решение этих задач с применением более точных измерителей, приводит к снижению конкурентоспособности РТС, прежде всего с точки зрения стоимости РТС и его эксплуатации. Таким образом, перед разработчиками РТС стоит задача построения навигационного комплекса (НК) с учётом повышения требований к точности и надежности навигационного обеспечения при условии улучшения конкурентных преимуществ, как на этапах разработки, так и эксплуатации. Решение этой задачи возможно путём формирования ядра НК, которое будет применимо для большинства воздушных и наземных РТС и разработки методик выбора измерителей, структур и состава математического и программно-алгоритмического обеспечения такого ядра. Тем самым достигается унификация, что в конечном итоге предоставит преимущества разработчикам РТС. При формировании ядра НК следует использовать минимальный набор датчиков и систем, ориентируясь на те из них, которые получили широкое распространение в коммерческих, а не специальных приложениях. Такие продукты более доступны с точки зрения стоимости и ограничений на применение. Унификация алгоритмического обеспечения совместно с повышением точности и надежности комплекса достигается за счёт использования алгоритмов комплексной обработки информации (КОИ), как основы алгоритмического обеспечения НК, позволяющих оценить погрешности каждой из подсистем и построить адаптивные алгоритмы обнаружения и исключения отказов различного вида.
В качестве основы современных НК РТС, используются инерциальные системы (ИНС), и, прежде всего, бесплатфоренные ИНС (БИНС). Особенностями БИНС являются автономность и помехозащищенность, но и нарастание погрешностей со временем. С целью коррекции БИНС наиболее широкое распространение получили ГНСС ГЛОНАСС/GPS. Их серьезным недостатком является низкая помехозащищённость. Одним из вариантов повышения точности и надежности комплекса является использование измерений от систем технического зрения (СТЗ). Основной принцип работы систем технического зрения состоит в формировании навигационного поля на основе распознавания и привязки к некоторой системе координат реперных точек с последующим отслеживанием движения относительно этих точек. Каждая из рассмотренных систем не позволяет поддерживать высокий уровень точности. КОИ от любых двух систем позволяет получить более высокий уровень точности определения параметров ориентации и навигации и построить адаптивные комплексные алгоритмы обнаружения и исключения возмущений в измерениях ГНСС или СТЗ. Однако КОИ не позволяет диагностировать и исключать таким образом отказ каждой из систем в силу невозможности выявления источника погрешностей. Использование трёх систем различной природы измерений при глубокой интеграции в едином алгоритме КОИ информации позволит не только повысить конечную точность работы комплекса и уменьшить время оценки параметров, но и диагностировать и оценивать уровень возмущений, как в отдельных измерениях подсистем, так и отказ подсистем в целом. Использование адаптивного подхода к построению оптимального оценивателя, дает возможность оценки погрешностей измерений подсистем заранее неизвестного вида, происхождения, времени появления и времени исчезновения. Тем самым достигается устойчивость комплекса к внутренним и внешним помехам неизвестной природы, структуры, вида, и, соответственно, достигается улучшение робастных свойств комплекса.
Наиболее часто используемый в настоящее время подход к построению НК РТС заключается в обобщённой последовательности шагов: выбор измерителей – разработка алгоритмов ориентации и навигации – разработка алгоритмов КОИ. Такой подход обусловлен, прежде всего, малым количеством предложений и негибкой структурой отечественного рынка датчиков и систем и относительной "закрытостью" западного рынка. Однако такой подход не является оптимальным с точки зрения получения требуемой точности и надежности работы комплекса в целом. Очевидно, что обратный порядок при построении структуры навигационной части комплекса (требования – режимы работы – измерения – разработка алгоритмов КОИ – разработка алгоритмов ориентации и – выбор измерителей) является более гибким и надёжным с точки зрения достижения результата. Использование предлагаемой унифицированной методики построения комплексов вокруг ядра в виде БИНС, ГНСС и СТЗ совместно с предлагаемым подходом к формированию облика робастных алгоритмов оптимальной обработки информации позволит разработчикам получить гибкий инструментарий проектирования НК для различных классов РТС, и, как следствие, снизить конечную стоимость проектирования и уменьшить время разработки.
Задача обнаружения и исключения за заданный временной интервал измерений, содержащих возмущения, которые приводят к критическому нарастанию погрешностей, является сложной и актуальной. Так, в процессе эксплуатации ГНСС в составе бортового оборудования (БО) воздушных судов (ВС) согласно установленным нормативам требуется выдерживать заданные показатели качества работы системы – точность, доступность, непрерывность и целостность навигационной информации на всех этапах полета.
Назначением алгоритмов автономного контроля целостности на борту ВС является обнаружение и исключение из рабочего созвездия потребителя неверного навигационного измерения. Так, например, Квалификационные требования БО спутниковой навигации (КТ-34-01, редакция 4) в режиме неточного захода на посадку устанавливают порог времени задержки сигнализации не более 10 секунд при вероятности невыдачи сигнала предупреждения 0.001 раз на час полёта, вероятности выдачи ложного сигнала предупреждения 0.00001 раз, вероятности ошибочного исключения 0.001 раз и порога срабатывания сигнализации 550 метров. В публикациях авторского коллектива было показано, что предлагаемый в рамках ПНИ подход к формированию адаптивных алгоритмов КОИ позволяет в случае построения навигационного ядра на базе только двух систем, например, БИНС и ГНСС, одновременно обнаруживать, оценивать и исключать измерения от (N-4) НКА ГНСС, где N – общее число рабочих спутников ГНСС. Однако, использование двух систем не позволяет выявить отказ БИНС или ГНСС без назначения опорного решения в виде решения БИНС или ГНСС. Введение в состав ядра третьей навигационной системы позволяет не только улучшить характеристики оптимального оценивания, но и позволит диагностировать отказ одной из систем в целом.
Отдельно следует обозначить типы погрешностей и их влияние на параметры точности и надежности. Для разработки требований и процедур проверки комплексированных по разным схемам БИНС/ГНСС, комитет RTCA SC-159 FAA сформировал рабочую группу, которая исследовала вопрос обнаружения отказов, вызванных медленно нарастающими ошибками. Поскольку у БИНС отсутствует высокочастотный шум, система обнаруживает случайные дрейфы. При этом не удается обнаружить отказ, вызванный медленно нарастающей ошибкой. Алгоритмы оптимальной обработки на базе семейства фильтров Калмана, наиболее часто используемые в комплексных системах, имеют тенденцию «приспосабливаться» и включать в своё решение любой медленноменяющийся переменный дрейф. Поэтому при работе алгоритмов такого типа, медленно нарастающая ошибка может легко избежать обнаружения.
Таким образом, для гражданской авиации, и, соответственно, для авиационных РТС актуальной задачей является построение адаптивных алгоритмов комплексных навигационных систем (КНС), устойчивых к помехам ГНСС различной природы и неизвестного вида, включая наиболее критичный тип помех – медленно нарастающих со временем.
Существующие алгоритмы не позволяют диагностировать такого рода помехи для всех спутников рабочего созвездия и обнаруживать отказ, например, инерциальных датчиков БИНС. Решением может быть использование навигационных систем на базе СТЗ.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Ожидаемые результаты ПНИ могут быть использованы в различных отраслях: транспорт, строительство, сельское хозяйство, оборонная и бытовая потребительская техника и других. Столь широкий охват сфер применения результатов ПНИ связан с возрастающей необходимостью применения роботизированной (беспилотной) техники для решения широкого круга задач. Возможность исключения человека из процесса управления напрямую зависит от точности и надежности роботизированной системы управления беспилотным аппаратом. Информационной основой функционирования системы управления является навигационный комплекс – комплекс средств, вырабатывающих информацию о местоположении, параметрах движения и ориентации управляемого объекта в пространстве. Таким образом, создание технологии построения отказоустойчивых комплексных навигационных систем для беспилотных аппаратов с использованием технического зрения как раз и позволит существенно повысить точность и надежность систем их управления.
Одной из заявленных задач ПНИ является разработка методики построения навигационного комплекса роботизированного транспортного средства (в широком смысле этого понятия) с повышенными требованиями к точности и надежности навигационного обеспечения при условии улучшения конкурентных преимуществ, как на этапах разработки, так и эксплуатации. Решение этой задачи предполагает появление у заинтересованных отечественных предприятий, в том числе - у индустриального партнера, исполнителей ПНИ, конкурентных преимуществ. Широкий круг отечественных разработчиков навигационных комплексов для различного вида техники (наземный, морской, авиационный транспорт, роботизированная сельскохозяйственная, строительная, добывающая, оборонная, бытовая потребительская техника) получит гибкий инструментарий проектирования навигационных комплексов для различных классов роботизированной техники, и, как следствие, сможет снизить конечную стоимость проектирования и уменьшить время разработки. Такой инструментарий подразумевает унификацию алгоритмического обеспечения совместно с повышением точности и надежности работы навигационного комплекса, что достигается за счёт использования оригинальных алгоритмов комплексной обработки информации.
Созданные на основе результатов данного исследования навигационные системы со значительно улучшенными потребительскими свойствами позволят повысить уровень использования отечественной роботизированной техники во многих отраслях экономики, что, безусловно, должно работать на создание положительного социально-экономического эффекта.
Вывод на рынок навигационных систем с высокими показателями отказоустойчивости и точности позволит повысить надежность и точность управления подвижными объектами, в том числе беспилотными аппаратами различного назначения. Беспилотная (роботизированная) техника занимает значительную долю мирового рынка в сфере транспорта, строительства, машиностроения, потребительской электроники и оборонной техники. На сегодняшний день нужды отечественных потребителей в большинстве из перечисленных сфер удовлетворяются за счет импортной продукции. Таким образом, создание технологии построения помехозащищенных комплексных навигационных систем для беспилотных аппаратов потенциально позволяет снизить зависимость от импорта за счет его замещения отечественной продукцией, произведенной на основе предлагаемой технологии. Учитывая высокую актуальность описанной выше цели проекта на мировом уровне, реализация проекта также повысит экспортный потенциал отечественных предприятий.

Текущие результаты проекта:
1. Комплекс научно-технических решений в составе:
- математические модели для обеспечения функционирования отказоустойчивой комплексной навигационной системы беспилотных аппаратов с использованием систем технического зрения (СТЗ): бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС); курсовертикали; системы первичной обработки информации от оптико-электронной системы (ОЭС); глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), включая погрешности определения дальностей, радиальных скоростей и набега фазы; навигационного комплекса (НК), с единым алгоритмом оптимальной обработки всей навигационной информации, с прогнозированием уровня точности оценки подсистем комплекса, с функцией обнаружения, оценки и исключения измерений содержащих возмущения, заранее неизвестной природы, уровня, времени возникновения и пропадания, превышающих требуемый порог;
- дискретные алгоритмы: БИНС, курсовертикали, системы первичной обработки информации от ОЭС, оптимальной обработки информации;
- метод построения НК, учитывающий требования беспилотного аппарата к точности и надежности определения параметров ориентации, навигации и определения координат реперных точек;
- математические модели и алгоритмы имитационного моделирования: траектории движения беспилотных аппаратов, внутренних и внешних возмущений различной природы, датчиков и систем, входящих в состав навигационного комплекса;
- методы калибровки и идентификации моделей погрешностей инерциальных датчиков, оценки характеристик работы БИНС комплекса на двухосном поворотном столе с термокамерой;
- технические решения для построения стенда имитации возмущений ОЭС;
- технические решения для построения стенда полунатурных исследований экспериментального образца НК на базе автомобильного транспортного средства.
2. Программный комплекс имитационного моделирования.
3. Стенд имитации возмущений ОЭС.
4. Стенд полунатурных исследований экспериментального образца НК на базе автомобильного транспортного средства.
5. Экспериментальный образец навигационного комплекса.
6. Результаты экспериментальных исследований созданных технических решений с использованием программного комплекса имитационного моделирования.