Регистрация / Вход
Прислать материал

Проведение прикладных научных исследований для создания интеллектуальных технологий и программного обеспечения систем навигации и управления подвижными техническими средствами с применением методов машинного зрения и высокопроизводительных распределенных вычислений

Номер контракта: 14.607.21.0012

Руководитель: Тищенко Игорь Петрович

Должность руководителя: Заведующий лабораторией

Докладчик: Степанов Дмитрий Николаевич, Инженер-исследователь

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
распознавание, летательный аппарат, бпла, навигация, поиск, ориентация, положение, снимки, автоматизация, анализ, отказоустойчивость, массовый параллелизм, облачный сервис, технология распараллеливания, распределение вычислительной нагрузки, преобразование алгоритмов

Цель проекта:
1 Разработка и исследование методов, алгоритмов навигации и интеллектуального управления подвижными техническими средствами (ПТС) с применением технологий машинного зрения, искусственного интеллекта и высокопроизводительных вычислений в области разработки автономных интеллектуальных систем управления подвижными объектами наземного и воздушного базирования, обеспечивающих повышение точности позиционирования подвижных аппаратов, автономность систем навигации. 2 Получение научно-технических решений для создания систем автономной навигации и управления различными типами ПТС, как замена и альтернатива спутниковым и микромеханическим системам навигации.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Планируемые результаты:
а) методы и алгоритмы автономной навигации ПТС с использованием средств машинного зрения.
б) методы и алгоритмы прогнозирования передвижения и управления движением ПТС вдоль заданной траектории.
в) методы и алгоритмы автоматизации распараллеливания вычислений для обработки интенсивных потоков данных, распределения данных по вычислительным узлам системы.

2) Характеристики планируемых результатов (возможности программного комплекса):
а) точность определения местоположения не более 2 м по каждой из осей координат на каждые 300 метров высоты съемки для высотных летательных аппаратов;
б) вычисление координат топографических ориентиров вдоль траектории полета с точностью не хуже 5 м по каждой из осей координат;
в) автоматическое распараллеливание исходного кода программы в режиме исполнения (динамически);
г) автоматическое распределение операций доступа к данным, находящихся на различных узлах системы.
д) число операций при маршрутизации в процессе локализации данных в системе должно соотноситься с числом узлов в системе не хуже чем O(log n).

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечный продукт: программный комплекс высокопроизводительной обработки данных с ПТС и моделирования движения ПТС. Комплекс будет обеспечивать имитационное компьютерное моделирование движения ПТС, проверку работоспособности методов и алгоритмов навигации и интеллектуального управления ПТС на основе эталонных фотографий местности (в том числе данных аэро- и спутниковой фотосъемки), распознавание и определение координат заданного набора объектов в потоках видеоданных. Наиболее трудоемкие вычисления проводятся на высокопроизводительной кластерной вычислительной установке, часть вычислений проводится локально на подвижных технических средствах, оснащенных одноплатными микрокомпьютерами.

2. Основным элементом новизны является использование высокопроизводительных кластерных вычислительных установок для решения ресурсоемких задач навигации ПТС, а также обнаружения и распознавания объектов на видео, что позволяет значительно сократить временные ресурсы, необходимые на решение поставленных задач, а также проведение тестирования разработанных методов и алгоритмов.

3. Проблемой навигации беспилотных аппаратов занимаются как отечественные (В. Вежневец, А. Конушин, Ю. Визильтер, Б. Алпатов, Н. Ким), так и зарубежные ученые (S. Grzonka, A. Bachrach, G. Conte, P. Doherty, A. Cesetti). Ошибка в позиционировании составляет от 2 до 10 м. Вместе с тем, практически во всех работах принимаются различные допущения на то, в каких условиях движется беспилотный аппарат:
- допущение о том, что перепады высот на подстилающей поверхности незначительны, и они существенно меньше высоты полета БПЛА;
- полет в условиях городской территории. В таких условиях проще найти устойчивые ориентиры на изображениях (прямые линии, угловые точки, образованные антропогенными объектами), которые на снимках природных территорий присутствуют достаточно редко.
- полет на низких высотах или внутри помещения. В этих случаях, расстояние до препятствий и подстилающей поверхности относительно невелико. Это позволяет использовать возможности стереокамер, которые значительно облегчают решение многих задач, связанных с позиционированием БПЛА, а также поиском объектов на изображениях.

В рамках настоящих исследований, разработаны методы и алгоритмы навигации ПТС, позволяющие определять положение и ориентацию БПЛА по изображениям в широком диапазоне условий (наличие или отсутствие рельефа на подстилающей поверхности, полет над городскими или природными территориями).

4. Заявленные результаты будут достигаться путем применения и разработки новейших методов и алгоритмов машинного зрения, обработки изображений и распознавания образов, в том числе с помощью сверточных нейронных сетей и вейвлет-преобразований. Необходимый уровень производительности будет обеспечиваться применением кластерных вычислительных установок, эффективность методов распределения операций и данных по узлам обеспечивается применением и разработкой эффективных структур данных, а также использованием последних достижений в области теории алгоритмов. В случае проведения локальных вычислений на борту ПТС, необходимый уровень производительности будет обеспечиваться применением малогабаритных одноплатных микрокомпьютеров. Основным риском являются возможные поломки и аварии беспилотных аппаратов в случае автономного движения, для уменьшения риска, все разработанные методы и алгоритмы пройдут предварительное тестирование на использованием имитационного компьютерного моделирования движения.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Область применения планируемых результатов: беспилотные аппараты (наземные и воздушные), используемые в различных областях (разведка, ведение боевых действий, картографирование, геологоразведка, сельское хозяйство, связь, охрана границ, лесов, полицейское патрулирование, мониторинг опасных объектов и процессов, информационное сопровождение чрезвычайных ситуаций, наблюдение за линиями электропередач и др.).

2. Перспективы использования планируемых результатов: повышение надежности и устойчивости систем навигации беспилотных аппаратов, облегчение разработки и тестирования новых методов и алгоритмов компьютерного зрения.

3. Прогноз влияния планируемых результатов
а) на развитие научно-технических и технологических направлений, разработку новых технических решений: расширение сферы применения методов и алгоритмов машинного зрения.
б) на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сферы: планируемые результаты являются альтернативой или заменой спутниковым и инерциальным системам навигации. Совместное использование различных подходов к позиционированию позволит улучшить качество решения навигационных задач.

4. Прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества: обеспечение точности и надежности систем навигации является актуальной задачей для всех стран, в дальнейшем возможно проведение исследований с зарубежными партнерами по внедрению результатов на реальные беспилотные аппараты.

Текущие результаты проекта:
1. Исследованы и разработаны принципы создания распределенных высоконагруженных вычислительных систем с автоматическим параллелизмом, основанные на принципах обмена сообщениями.
2. Представлен инструмент для представления исходного программного кода в режиме исполнения (динамически) в виде информационных структур.
3. Разработан метод распределения операций и данных по вычислительным узлам на основе распределенных хеш-таблиц, позволяющих равномерно распределять большие объемы данных.
4. Предложен алгоритм автоматического распараллеливания программы в режиме выполнения с использованием менеджера транзакций – для сохранения консистентности данных и оптимизации структуры и вычислительной схемы программы.
5. Разработана общая архитектура программного комплекса, основные принципы: модульность, хранение всех данных в специальном хранилище (доступ к данным – с помощью менеджера транзакций), сохранение промежуточных результатов вычислений.
6. Разработаны методы обнаружения и прослеживания в видеокадрах объектов, заданных на эталонных снимках.
7. Разработаны алгоритмы вычисления трехмерных координат подвижного технического средства с использованием опорных точек, найденных на видеокадре. Для каждой опорной точки вычисляется ее дескриптор с использованием вейвлетов Габора.
8. Созданы экспериментальные образцы подвижных технических средств, оснащенных средствами машинного зрения, а также одноплатными малогабаритными микрокомпьютерами.