Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и исследование технологии анализа изображений для систем технического зрения летательных аппаратов

Номер контракта: 14.574.21.0056

Руководитель: Алпатов Борис Алексеевич

Должность руководителя: заведующий кафедрой

Докладчик: Бабаян Павел Вартанович, начальник лаборатории

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
техническое зрение, летательный аппарат, препятствие, обнаружение, сопровождение, распознавание, предотвращение столкновений, автономная навигация

Цель проекта:
Современные условия эксплуатации воздушных судов и интенсификация их использования в решении различных прикладных задач, куда можно отнести и перевозку грузов, и различные мониторинговые миссии на местности со сложной застройкой, выявляют проблему, которая состоит в необходимости обеспечения пилота оперативной информацией об окружающей обстановке и возможных угрозах для выполнения полета. Частично решить указанную проблему позволяют такие технические средства, как системы предупреждения о столкновениях с воздушным судном (англ. Traffic alert and Collision Avoidance System, TCAS) и системы предупреждения о столкновениях с землей (англ. Terrain awareness and warning system, TAWS). Однако TCAS и TAWS имеют ограничения и не позволяют обнаруживать весь спектр возможных опасных ситуаций. В настоящее время представляется целесообразным использование средств технического зрения в качестве дополнения к существующим системам TCAS и TAWS. На данный момент возможности использования систем технического зрения для решения задач обеспечения безопасности полета ограничены отсутствием достаточно достоверных алгоритмов обнаружения, распознавания и оценки параметров заданных объектов и визуальных ориентиров, а также заранее неизвестных мешающих объектов (препятствий, посторонних воздушных судов, птиц, линий электропередач). В связи с этим, цель данного проекта заключается в исследовании и разработке комплекса научно-технических решений, направленных на создание программно-алгоритмического обеспечения системы технического зрения летательного аппарата, предназначенной для снижения ситуационной неопределенности и распознавания опасных ситуаций.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения проекта должны быть разработаны методы и алгоритмы анализа изображений, предназначенные для бортовой системы технического зрения летательного аппарата, в том числе:
- методы и алгоритмы обнаружения, распознавания и оценки параметров заданных наземных объектов и визуальных ориентиров (береговых линий, элементов дорожной сети);
- методы и алгоритмы обнаружения, распознавания и оценки параметров наблюдаемых воздушных объектов;
- алгоритм распознавания опасных ситуаций, связанный со сближением летательного аппарата с другими объектами (высотными сооружениями, линиями электропередач, посторонними воздушными объектами).
Разрабатываемые в проекте алгоритмы должны быть реализованы в рамках программного комплекса, предназначенного для их верификации и проведения экспериментальных исследований.
По итогам проекта должно быть сформулировано техническое задание на выполнение ОКР «Разработка программных средств системы технического зрения летательных аппаратов».

Разрабатываемые алгоритмы предназначены для обработки изображений в видимом и тепловом диапазоне спектра и должны обеспечивать:
- вероятность правильного обнаружения не менее 0,85 для наземных объектов и 0,9 для воздушных объектов при частоте ложной тревоги не более 0,001 и отношении сигнал/шум не менее 6.
- вероятность правильного обнаружения опасных ситуаций 0,9 для воздушных объектов при частоте ложной тревоги не более 0,001 и отношении сигнал/шум не менее 6.
Алгоритмы должны обеспечивать обработку изображений с разрешением в диапазоне от 480x640 до 1024x1280 в масштабе приближенном к реальному времени.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом, на создание которого направлен проект, является бортовая система технического зрения летательного аппарата, предназначенная для снижения ситуационной неопределенности и обеспечения безопасности полета. Результаты проекта, во-первых, дают возможность обоснованно подтвердить возможность создания подобной системы и, во-вторых, создают отправную точку для разработки ее программного обеспечения, реализуемого на базе специального вычислителя.

В рамках проекта на качественно новом уровне выполнено решение задач обнаружения, оценки параметров и распознавания как наземных, так и воздушных объектов на изображениях бортовой видеосъемки с последующей оценкой их влияния на безопасность выполнения полета. Новизна научных и технических решений определяется следующим. Во-первых, при разработке методов и алгоритмов анализа изображений получили дальнейшее развитие подходы, разработанные коллективом исполнителей в течении более чем 30-летнего периода выполнения работ по тематике, связанной с созданием бортовых систем технического зрения. Во-вторых, впервые для данной области знания, задачи обнаружения, распознавания и оценки параметров широкого класса наземных и воздушных объектов исследованы вместе с задачами обнаружения опасных ситуаций с единых теоретических и методологических позиций.

Сопоставление с мировым уровнем исследований показывает, что выполнение проекта позволит существенно улучшить отдельные результаты в области обнаружения и распознавания объектов на изображениях бортовой видеосъемки. Практический интерес представляет предложенный в проекте и слабо отраженный в научной прессе комплексный подход к решению большого круга задач, связанных со снижением ситуационной неопределенности и обеспечением безопасности в ходе выполнения полетов.

Пути достижения заявленных результатов состоят в применении синтетического подхода, когда отдельные и хорошо зарекомендовавшие себя методы, предназначенные для решения общих задач анализа изображений, используются в качестве базы для создания алгоритмов решения конкретных практических задач, связанных с обнаружением и распознаванием характерных объектов. Отработку и определение экспериментальных характеристик алгоритмов, полученных в рамках проекта, планируется выполнить с привлечением объемной базы натурных и синтезированных видеосюжетов. Для обеспечения релевантности этой базы, Индустриальный партнер проекта обеспечивает разработку и изготовление специализированной видеоаппаратуры и проведение видеосъемок путем установки этой аппаратуры на борту летательного аппарата.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Полученные результаты могут использоваться для создания новых и модернизации существующих образцов бортовых систем технического зрения. Указанные системы смогут использоваться на самом широком спектре летательных аппаратов, в том числе малоразмерных, и, как ожидается, будут способствовать более эффективному применению летательного аппарата по его целевому назначению и значительной степени улучшат ситуацию в области обеспечения безопасности полетов.

В практическом смысле внедрение полученных результатов планируется осуществить на базе Индустриального партнера проекта - АО "Государственный Рязанский приборный завод" (АО "ГРПЗ") в рамках работ по модернизации бортовых систем обработки видеоизображений семейства "Охотник". АО ГРПЗ является одним из крупнейших в России разработчиков и производителей авионики. В разрабатываемых АО ГРПЗ системах семейства "Охотник" уже нашли внедрение большинство результатов научных исследований, выполненных ранее исполнителями проекта.

Планируемые результаты проекта создают основу для формирования нового научно-технического направления, связанного с созданием бортовых систем обработки видеоизображений гражданского назначения, осуществляющих информационное сопровождение и обеспечение безопасности полетов. Внедрение в производство подобных систем могло бы значительно способствовать развитию рынка малой авиации и беспилотных летательных аппаратов.

Текущие результаты проекта:
В настоящий момент получены следующие результаты:
- разработаны методы и алгоритмы обнаружения, распознавания и оценки параметров наземных объектов и визуальных ориентиров на изображениях бортовой видеосъемки;
- разработаны методы и алгоритмы обнаружения, распознавания и оценки параметров воздушных объектов на изображениях бортовой видеосъемки.
- разработан алгоритм обнаружения опасных ситуаций, связанных со сближением летательного аппарата с другими объектами.
- создан экспериментальный образец программного комплекса (далее ЭО ПК), реализующий разработанные алгоритмы и предназначенный для их отработки и проведения экспериментальных исследований.
- разработана Программа и методика экспериментальных исследований ЭО ПК.
Проведение экспериментальных исследований и подведение итогов проекта запланировано на последующие этапы.

Индустриальным партнером выполнены маркетинговые исследования, показывающие значительную востребованность результатов выполняемого проекта. Кроме того, Индустриальным партнером проекта разработана и изготовлена специальная видеоаппаратура и проведены видеосъемки в целях обеспечения проведения экспериментальных исследований.

По итогам реализации проекта к настоящему моменту:
- подготовлено 3 публикации, индексируемых в системах Web of Science и Scopus;
- зарегистрирована одна заявка на получение патента на изобретение;
- подготовлена и защищена 1 диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.