«Разработка и исследование оптико-электронных систем технического зрения для определения малой дальности до водной поверхности» тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Крысин Дмитрий Юрьевич

• Крысин Дмитрий Юрьевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Крысин Дмитрий Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ

1 ПРОБЛЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАЛОЙ ДАЛЬНОСТИ ДО ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ОГРАНИЧЕНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ

1.1 Основные требования к системе определения малой дальности до ВП

1.2 Сравнительный анализ промышленных методов определения дальности

1.2.1 Классификация методов бесконтактного определения дальности

1.2.2 Методы радиолокации

1.2.3 Методы лазерной локации

1.2.4 Методы гамма-лучевой локации

1.2.5 Методы ультразвуковой локации

1.2.6 Барометрический метод

1.2.7 Методы спутниковой навигации

1.2.8 Емкостной метод

1.2.9 Оптико-электронные методы технического зрения

1.2.10 Сводная таблица характеристик методов

1.3 Особенности формирования цифровых изображений ВП

1.3.1 Основные влияющие факторы

1.3.2 Оптические свойства воды и ВП

1.3.3 Влияние волнения ВП

1.4 Виды дальнометрических ОЭСТЗ и их ограничения

1.4.1 Критерии классификации ОЭСТЗ

1.4.2 Ограничения активных дальнометрических ОЭСТЗ

2 ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ, ОСНОВАННЫЕ НА ПОЛУЧЕНИИ И АНАЛИЗЕ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКИХ ФОТОИЗОБРАЖЕНИЙ

2.1 Стереоскопическое зрение и волнение ВП

2.2 Метод определения положения объекта относительно невозмущенной ВП и структурная схема ОЭСТЗ

2.2.1 Структурная схема стереоскопической ОЭСТЗ

2.2.2 Принцип действия стереоскопической ОЭСТЗ

2.2.3 Выбор информативных параметров фотоизображений

2.3 Алгоритм работы стереоскопической ОЭСТЗ

2.3.1 Адаптивная настройка камер и блока подсветки СТЗ

2.3.2 Получение стереоскопических фотоизображений ВП

2.3.3 Обработка и анализ стереоскопических фотоизображений

2.3.4 Ассоциирование оптических излучателей СТЗ с их фотоизображениями

2.3.5 Вычисление пространственного положения зеркальных изображений оптических излучателей СТЗ

2.3.6 Вычисление пространственного положения СТЗ и объекта относительно невозмущенной ВП

2.3.7 Вывод результатов оценки параметров

2.3.8 Ограничения алгоритма

2.4 Экспериментальная проверка стереоскопической ОЭСТЗ

2.4.1 Экспериментальная установка

2.4.2 Калибровка камер стереоскопической ОЭСТЗ

2.4.3 Программная реализация алгоритма

2.4.4 Результаты натурных экспериментов

2.5 Исследование влияния негативных факторов на точность определения пространственного положения стереоскопической ОЭСТЗ

2.5.1 Алгоритм анализа влияния негативных факторов

2.5.2 Программная реализация алгоритма

2.5.3 Анализ результатов моделирования

2.6 Пути повышения эффективности стереоскопической ОЭСТЗ

3 ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ, ОСНОВАННЫЕ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВРЕМЯПРОЛЕТНЫХ КАМЕР

3.1 Принцип действия и особенности времяпролетных камер

3.2 Технология Photonic Mixer Device

3.3 Форматы дальнометрических изображений

3.4 Ограничения времяпролетных PMD-камер

3.5 Проблема отсутствия дальнометрических изображений ВП

3.6 Экспериментальная установка

3.6.1 Аппаратное обеспечение установки

3.6.2 Программное обеспечение установки

3.7 Натурный эксперимент 1: при волнении ВП менее 1 балла

3.7.1 Цель и условия проведения эксперимента

3.7.2 Визуализация экспериментальных дальнометрических изображений ВП

3.7.3 Формирование дальнометрических изображений ВП в PMD-камере

3.7.4 Статистическая обработка массивов дальнометрических изображений

3.7.5 Исследование свойств отдельных пикселей дальнометрических изображений ВП

3.8 Натурный эксперимент 2: при волнении ВП 1-2 балла

3.8.1 Цель и условия проведения эксперимента

3.8.2 Визуализация экспериментальных дальнометрических изображений ВП

3.8.3 Возможность определения угловой ориентации PMD-камеры

3.9 Натурный эксперимент 3: при интенсивном солнечном освещении

3.9.1 Цель и условия проведения эксперимента

3.9.2 Визуализация экспериментальных дальнометрических изображений ВП

3.9.3 Статистическая обработка массивов дальнометрических изображений

3.9.4 Удаление ошибочных валидных пикселей дальнометрических изображений ВП

3.10 Алгоритм определения высоты положения PMD-камеры

3.11 Возможность определения параметров волнения ВП по дальнометрическим изображениям ВП

3.12 Вопрос выбора значения выдержки

3.13 Влияние отражательной способности поверхности резервуара

3.14 Публикация массивов дальнометрических изображений ВП в сети Интернет .. 92 4 ПРИМЕНИМОСТЬ МЕТОДОВ НА ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТАХ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ

4.1 Применимость методов на подвижных объектах

4.1.1 Сводная таблица результатов анализа применимости

4.1.2 Общие особенности применения на подвижных объектах

4.1.3 Применимость стереоскопических ОЭСТЗ

4.1.4 Применимость ОЭСТЗ на основе времяпролетных камер

4.2 Построение комплексных систем и алгоритмов

4.2.1 Преимущества и виды комплексных систем

4.2.2 Интеграция стереоскопической ОЭСТЗ и БИНС

4.2.3 Использование информации об ориентации РМБ-камеры для коррекции

оценки высоты по дальнометрическим изображениям

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему ««Разработка и исследование оптико-электронных систем технического зрения для определения малой дальности до водной поверхности»»

Актуальность темы диссертации

Проблема бесконтактного определения малой дальности (0,2-5 м) до водной поверхности (ВП) возникает при решении ряда задач. К ним относятся измерение уровня жидкости, определение параметров морского волнения, измерение высоты движения неводоизмещающего объекта и др. [26, 29, 39, 96, 103]. Сложность состоит в том, что многие бесконтактные дальнометрические методы не могут быть использованы для определения малой дальности до ВП, особенно при ее волнении. Отсутствие дальномеров с адекватными технико-экономическими характеристиками является серьезным ограничением при разработке новых систем управления и контроля [29, 39]. Перечисленные факты обуславливают актуальность поиска и исследования новых методов, обеспечивающих определение малой дальности до ВП.

Анализ современного уровня техники показывает, что в последнее время непрерывно расширяется сфера применения оптико-электронных систем технического зрения (ОЭСТЗ). Они используются в промышленном производстве, медицинской диагностике, распознавании символьной информации и многих других областях [4, 26, 66, 89, 105]. Одной из задач, успешно решаемых с их помощью, является бесконтактное определение дальности. Из проведенного анализа следует, что практически все известные ОЭСТЗ, обеспечивающие определение малой дальности до ВП, основаны на получении и анализе фотоизображений вспомогательных объектов, например, поплавков или измерительных реек, специально расположенных на уровне ВП [13, 51, 65, 96, 100, 103]. Необходимость их использования объясняется особенностями оптических свойств водной среды и изображений ВП. Тем не менее, данный подход приводит к усложнению конструкции ОЭСТЗ и не во всех задачах является возможным.

Целью диссертационной работы является поиск оптико-электронных методов и систем технического зрения, обеспечивающих определение малой дальности до водной поверхности и в то же время не основанных на анализе изображений вспомогательных объектов, расположенных на уровне водной поверхности.

Личное участие соискателя

Все основные результаты, представленные в диссертации, получены лично соискателем.

Основные задачи, которые решались в процессе диссертационного исследования:

- сравнительный анализ промышленных методов бесконтактного определения дальности, в том числе, при движении объекта;

- поиск оптико-электронных методов технического зрения, обеспечивающих потенциальную возможность определения малой дальности до ВП и не требующих использования вспомогательных объектов и элементов системы, расположенных на уровне ВП;

- исследование возможности и специфики применения ОЭСТЗ, основанных на получении и анализе стереоскопических фотоизображений ВП;

- разработка структуры и алгоритма работы стереоскопической ОЭСТЗ, обеспечивающей определение положения объекта относительно невозмущенной ВП;

- исследование возможности и специфики применения ОЭСТЗ на основе времяпролетных камер;

- получение дальнометрических изображений ВП с помощью времяпролетной РМБ-камеры в широком диапазоне условий функционирования и их анализ;

- разработка алгоритмов определения высоты, основанных на анализе дальнометрических изображений ВП, генерируемых времяпролетной PMD-камерой;

- разработка аппаратного и программно-алгоритмического обеспечения для экспериментальной проверки предложенных методов и систем;

- анализ путей повышения их эффективности.

Методы исследования

В процессе исследования применялись общие методы системного анализа: формализация, абстрагирование, алгоритмизация, моделирование, эксперимент и др. [43]. Использовались методы оптики, технического зрения, цифровой обработки изображений, фотограмметрии, навигации, линейной алгебры, аналитической геометрии, математической статистики и фильтрации сигналов.

Научная новизна диссертационной работы отражена в положениях, выносимых на защиту.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

- Активные оптико-электронные системы технического зрения, включающие матричные датчики и источники расходящегося оптического излучения, обеспечивают определение малой дальности до водной поверхности без использования вспомогательных элементов, расположенных на уровне водной поверхности.

- Стереоскопическая оптико-электронная система технического зрения, включающая блок цифровых фотокамер и блок оптических излучателей, формирующих расходящееся излучение, обеспечивает определение собственной высоты и угловой ориентации относительно невозмущенной водной поверхности с помощью анализа регистрируемых фотоизображений водной поверхности с зафиксированными зеркальными изображениями оптических излучателей.

- Экспериментальные дальнометрические изображения водной поверхности, полученные с помощью оптико-электронной времяпролетной камеры, и результаты их статистического анализа подтверждают возможность применения оптико-электронных времяпролетных камер для определения малой дальности до водной поверхности в широком диапазоне воздействий внешней среды.

- Алгоритм работы системы технического зрения, включающей оптико-электронную времяпролетную камеру, основанный на статистическом анализе пространства валидных пикселей дальнометрических изображений, обеспечивает определение высоты системы относительно как невозмущенной, так и взволнованной водной поверхности.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- найдены оптико-электронные методы технического зрения, обеспечивающие определение малой дальности до водной поверхности и не требующие использования вспомогательных объектов, расположенных на уровне ВП;

- заложена основа для дальнейшего исследования особенностей применения методов технического зрения для определения малой дальности до ВП;

- сформулированы выводы, полезные при разработке новых систем бесконтактного определения малой дальности до ВП;

- разработаны две экспериментальные установки для исследования особенностей применения оптико-электронных методов и систем технического зрения для определения малой дальности до ВП.

Реализация результатов работы

Теоретические и практические результаты диссертационной работы используются в НИОКР МИПАКТ ГУАП, ОАО «Радиоавионика», а также в учебном процессе кафедры аэрокосмических измерительно--вычислительных комплексов ГУАП. Внедрение результатов работы подтверждено соответствующими актами (приложение В).

Апробация работы

Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на научных сессиях ГУАП (С.-Петербург, 2009, 2010, 2012, 2013 гг.), XII, XIII, XIV и XV конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением» (С.-Петербург, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2010, 2011, 2012, 2013 гг.), Интернет-форумах XII, XIV и XV конференций молодых ученых «Навигация и управление движением» (сайт ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2010, 2012, 2013 гг.), XIX международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Алушта, 2010 г.), XXVII конференции памяти Н.Н. Острякова (С.-Петербург, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2010 г.), программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (проект вошел в список победителей; С.-Петербург, 2010, 2011, 2012 гг.), конкурсе научно-исследовательских проектов ГУАП (С.-Петербург, 2014 г.; проект вошел в список победителей), 19-ом всемирном конгрессе ШАС (Кейптаун, 2014 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 1 6 работах, из них 4 статьи и 4 реферата опубликованы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 8 работ опубликованы в сборниках научно-технических семинаров и конференций [20-30, 79].

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем основной части работы составляет 114 страниц, включая 5 таблиц и 52 рисунка. Список литературы содержит 105 источников.

1 ПРОБЛЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАЛОЙ ДАЛЬНОСТИ ДО ВОДНОЙ

ПОВЕРХНОСТИ И ОГРАНИЧЕНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ

В данной главе рассмотрена проблема определения малой дальности до ВП. Представлены результаты анализа основных промышленных методов бесконтактного определения дальности. Основное внимание уделено ограничениям этих методов с точки зрения их использования для определения малой дальности до ВП. Более подробно рассмотрены особенности применения оптико-электронных методов технического зрения. Перечислены факторы, влияющие на формирование изображений ВП. Приведена классификация ОЭСТЗ. Обоснован выбор двух классов ОЭСТЗ для подробного исследования.

1.1 Основные требования к системе определения малой дальности до ВП

Во введении было показано, что проблема определения малой дальности до ВП возникает при решении различных технических задач. Анализ этих задач позволил сформулировать общие требования к системе определения малой дальности до ВП: диапазон измерения 0,2-5 м, погрешность измерения не более 3 - 10 % (в зависимости от задачи), адекватная стоимость, отсутствие движущихся механизмов, безопасность для персонала, работоспособность при волнении ВП 0-2 балла по шкале Дугласа, независимость от уровня естественного освещения [67, 86]. Было установлено, что требования к быстродействию сильно зависят от решаемой задачи. Например, постоянная времени измерителя высоты полета летательного аппарата (ЛА) вблизи ВП не должна превышать 50 мс [39]. В то же время быстродействие измерителей уровня жидкости, как правило, менее критично [100, 103]. В результате проведенного анализа было принято решение о пошаговом изучении проблемы и приоритете исследования случая, когда система в пространстве не перемещается.

1.2 Сравнительный анализ промышленных методов определения дальности

1.2.1 Классификация методов бесконтактного определения дальности

В соответствии с классификацией, предложенной автором диссертации, методы бесконтактного определения дальности разделены на методы активной локации и пассивные методы (рисунок 1.1).

Методы активной локации основаны на генерации некоторого излучения в направлении объекта и обработке принимаемых отраженных сигналов, то есть на

т~ч и __и

зондировании. В радиолокации, лазерной локации и гамма-лучевой локации используется электромагнитное излучение различных диапазонов. В ультразвуковой локации используется акустическое излучение. Дальность до объекта определяется с помощью измерения запаздывания отраженного сигнала или его мощности [39, 87]. Радиолокация, лазерная локация и ультразвуковая локация, как правило, основаны на измерении запаздывания отраженного сигнала. Может использоваться импульсное или непрерывное излучение. В гамма-лучевой локации дальность определяется исходя из мощности принимаемого отраженного сигнала.

Рисунок 1.1 - Классификация методов бесконтактного определения дальности

К пассивным методам отнесены барометрический метод, методы спутниковой навигации и емкостной метод. Оптико-электронные методы технического зрения,

отдельно показанные в классификации, чрезвычайно разнообразны и могут быть основаны как на активных, так и на пассивных принципах определения дальности.

Следует отметить, что во многих практических задачах необходимо найти не наклонную дальность, а высоту положения объекта относительно ВП. Поэтому задача определения высоты является важным частным случаем задачи определения дальности.

Проведенный анализ позволил выделить два основных класса задач, в которых возникает проблема определения дальности до ВП. К первому классу относятся задачи, в которых измеритель устанавливается на неподвижном объекте и находится в состоянии покоя относительно окружающей среды. В этом случае дальность до ВП изменяется в результате изменения уровня воды. Ко второму классу относятся задачи, в которых, наоборот, уровень ВП является относительно постоянным, а изменение дальности возникает из-за перемещения объекта, на котором установлен измеритель. В качестве примера можно привести задачу измерения высоты полета летательного аппарата вблизи ВП, например, гидросамолета или экраноплана. Пассивные методы используются, в основном, для решения второго класса задач. Методы активной локации являются более универсальными и используются в задачах обоих классов.

Ключевые достоинства и недостатки перечисленных методов (см. рисунок 1.1) рассмотрены ниже. Основное внимание уделено особенностям, которые имеют отношение к вопросу определения малой дальности до ВП. Более подробно рассмотрены ограничения методов. Описана структура соответствующих систем. Приведены характеристики конкретных приборов.

1.2.2 Методы радиолокации

В основе методов активной радиолокации лежит излучение радиоволн в направлении объекта и обработка принимаемого отраженного сигнала. Радиодальномеры используются, как на статичных объектах, например, в задачах измерения уровня (уровнемеры), так и на динамичных объектах, например, для измерения высоты полета ЛА (радиотехнические высотомеры) [3, 26, 39]. В качестве примера ниже рассмотрены некоторые особенности радиотехнических высотомеров (РВ). Они предназначены для измерения истинной высоты полета ЛА [46] и делятся на РВ малых высот (до 1500 м) и РВ больших высот. РВ больших высот обычно работают в импульсном режиме и на малой высоте имеют зону нечувствительности [39]. Поэтому с точки зрения проводимого исследования имеет смысл рассматривать только РВ малых высот, которые, как правило,

работают в режиме непрерывного излучения. Они имеют высокую точность измерения и при наличии на борту ЛА являются основным приборным средством измерения высоты во время посадки. В то же время существуют приложения, в которых точности серийных РВ не достаточно, например, в задаче измерения высоты полета малого экраноплана [22, 39]. Проблема заключается в том, что высота крейсерского полета таких судов составляет доли метра [39] («НПК ТРЭК»: [сайт]. URL: http://www.trekivolga.ru).

В качестве примера ниже приведены некоторые характеристики серийно выпускаемого РВ А-037. Данный РВ представляет собой радиолокационную станцию непрерывного излучения с частотной модуляцией излучаемого сигнала, и включает следующие основные блоки: приемопередатчик, передающую антенну, приемную антенну и индикатор высоты. В основу положен принцип следящего измерителя высоты с постоянной частотой преобразованного сигнала [46]. Длительность рабочего хода модуляции зависит от высоты. В диапазоне высот от 0 до 60 м последние модели данного РВ обеспечивают точность ±(0,6+0,05Н), где Н - измеряемая высота в метрах [46]. При наличии крена или тангажа появляется дополнительная погрешность.

Следует отметить, что РВ отсутствуют на большей части малых ЛА. Основным фактором, сдерживающим их применение, является высокая стоимость. Цена РВ может достигать 30 % от стоимости небольшого гидросамолета в базовой комплектации.

Стоимость радиодальномеров, предназначенных для решения статических задач, также высока. В частности, радиодальномеры, предназначенные для измерения уровня жидкости, являются одним из наиболее дорогих видов уровнемеров [3, 14, 25].

1.2.3 Методы лазерной локации

В методах лазерной локации используется когерентное монохроматическое излучение, как правило, относящееся к оптическому диапазону длин волн. В настоящее время лазерные дальномеры (ЛД) широко применяются в промышленности, как в статических, так и в динамических задачах. Это объясняется высокой точностью, малыми массогабаритными параметрами, простотой использования, относительно низкой стоимостью. ЛД по аналогии с РВ делятся на два класса — импульсные и с непрерывным излучением [39].

Структура современных лазерных дальномеров обычно включает электронный блок формирования и обработки сигналов, приемно-передающий блок и блок индикации. Приемно-передающий блок состоит из лазера, передающей оптической системы,

приемной оптической системы и приемника излучения [38]. В качестве примера можно привести характеристики портативного лазерного дальномера PCE-LDM 50: диапазон измерения от 0,05 до 50 м; точность измерения ± 1,5 мм; разрешение 1 мм, длина волны излучения 635 нм, масса 0,135 кг (PCE Instruments UK Ltd: [сайт]. URL: http://www.pce-instruments.com).

Как правило, в лазерных дальномерах используется коллимированное излучение, которое обеспечивает пространственную локализацию луча. Данная особенность приводит к сложностям при измерении дальности до зеркальных или прозрачных поверхностей, которые проявляются и при измерении малой дальности до ВП. При падении лазерного луча на ВП только часть излучения отражается в направлении приемника. Другая часть преломляется и затем поглощается в толще воды, или же отражается от поверхности не в направлении приемника. Данные явления могут привести к недостаточной интенсивности отраженного излучения на входе приемника и нестабильности измерений [26, 79]. Это объясняет практически полное отсутствие примеров удачного использования ЛД для измерения малой дальности до ВП.

Следует отметить, что существуют авиационные ЛД, способные функционировать над ВП. Однако, как правило, они работают в импульсном режиме и на малой высоте имеют зону нечувствительности (ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха»: [сайт]. URL: http://www.polyus.info/production/designators_and_rangefinders/484924/).

1.2.4 Методы гамма-лучевой локации

Метод гамма-лучевой локации основан на зависимости интенсивности отраженного гамма-излучения от дальности до подстилающей поверхности [39, 59, 60]. Гамма-лучевые высотомеры (ГЛВ) были разработаны специально для измерения малых высот. Первым ГЛВ была система «Кактус», предназначенная для обеспечения мягкой посадки космических спускаемых аппаратов. При разработке к системе выдвигались высокие технические требования: повышенная надежность, абсолютная всепогодность, малая зависимость точности от свойств подстилающей поверхности. В результате был создан измеритель, в котором впервые было использовано электромагнитное излучение гамма-лучевого диапазона. Последующее развитие данного научно-технического направления привело к созданию целого ряда систем для авиационных и космических объектов [60].

Системы, основанные на методе гамма-лучевой локации, обычно включают два блока — передатчик и приемник. Передатчик содержит источник гамма-излучения, которое формируется в направлении зондируемой поверхности. Приемник служит для измерения интенсивности отраженного гамма-излучения и вычисления дальности [59].

Существенным недостатком данного метода является использование излучения, представляющего угрозу для человека и окружающей среды. Несоблюдение правил эксплуатации может вызвать опасное радиационное облучение [53]. Данный факт ограничивает возможность использования ГЛВ в проводимом исследовании, даже если не рассматривать вопрос целесообразности с экономической точки зрения [26].

1.2.5 Методы ультразвуковой локации

В отличие от методов, рассмотренных ранее, в ультразвуковой локации используется не электромагнитное, а акустическое излучение. Ультразвуковые дальномеры (УД) широко применяются в промышленности для бесконтактного измерения расстояний в различных средах. В воздушной среде УД в основном используются для измерения малых расстояний. Их главными достоинствами являются низкая стоимость, простота эксплуатации, а основным недостатком — зависимость скорости звука от климатических параметров. С точки зрения структуры можно выделить следующие классы УД: дальномеры с каналом автокоррекции масштаба, дальномеры с параметрической термокомпенсацией непостоянства скорости звука, дальномеры без средств компенсации [14].

УД с автокоррекцией масштаба относятся к прецизионным измерителям дальности. Высокая точность обеспечивается с помощью эталонных отражателей, которые располагаются на пути следования акустического луча. В результате, принимаемый сигнал представляет собой совокупность импульсов, отраженных от эталонных отражателей и зондируемой поверхности. Основным недостатком данного типа УД являются большие габариты [14]. УД с параметрической термокомпенсацией имеют датчик температуры воздуха. Его показания служат для коррекции значения скорости звука, используемого в вычислениях. Недостатком данного вида УД является необходимость реализации дополнительного измерительного канала. Кроме того, отсутствие барометрического канала не позволяет учитывать отклонение атмосферного давления от нормального. УД без компенсации изменения скорости звука в общем случае не обеспечивают высокой точности измерений [14].

Негативное влияние на работу УД оказывают нежелательные отражатели акустического излучения. Для устранения их влияния используют пространственную локализацию акустического луча — с помощью антенн с острой диаграммой направленности или путем создания специального канала для распространения акустического излучения [3]. Возможность измерений сильно зависит от расположения передатчика и приемника ультразвуковых колебаний относительно зондируемой поверхности [79]. Данный факт может быть причиной проблем при измерении дальности до взволнованной ВП. При использовании УД на подвижных объектах возможно возникновение сложностей из-за разности частот излучаемого и принимаемого сигналов (эффект Доплера). Также работа УД может быть нарушена источниками акустических помех.

Перечисленные факты объясняют практически полное отсутствие примеров удачного использования УД в динамических задачах определения малой дальности до подстилающей ВП [26]. Однако нужно отметить, что УД успешно используются в статических задачах в условиях небольшой балльности волнения ВП [3].

1.2.6 Барометрический метод

Барометрический метод служит для измерения относительной высоты. В его основе лежит зависимость атмосферного давления от высоты места над уровнем моря [17]. Барометрические высотомеры (БВ) позволяют определить высоту положения объекта относительно места с известным барометрическим давлением. По существу любой БВ является измерителем атмосферного давления (барометром), шкала которого проградуирована в единицах измерения высоты [26]. Измеряемое атмосферное давление и высоту связывают стандартные гипсометрические формулы [9, 17].

Основными узлами классических БВ являются чувствительный элемент (анероидно-мембранная коробка), передаточный механизм, индикатор и механизм установки начального давления [10]. Также в настоящее время широкое распространение получают электронные высотомеры, построенные на базе микроэлектромеханических (МЭМС) датчиков давления [48].

Достоинствами БВ являются простота и надежность. Существенным недостатком с точки зрения задачи измерения малых высот является высокая инструментальная погрешность измерений. Так, для распространенной модели отечественного баровысотомера ВД-10 допустимая погрешность на нулевой высоте составляет ±20 м

[10]. Кроме того, имеет место методическая погрешность, возникающая при отклонении атмосферных условий от нормальных [9, 17, 56]. Перечисленные факты указывают на невозможность использования барометрических высотомеров в качестве единственного источника информации о дальности до подстилающей поверхности при движении объекта на малой высоте [79].

1.2.7 Методы спутниковой навигации

В настоящий момент функционируют две глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС): отечественная система ГЛОНАСС и зарубежная система GPS NAVSTAR. Приемники сигналов ГНСС определяют текущее местоположение своей антенны с помощью обработки радиосигналов от спутников ГНСС [26, 48, 61]. Географические координаты (широта, долгота) и высота объекта вычисляются на основе данных о временных задержках прихода радиосигналов. Следует отметить, что высота определяется не относительно реальной подстилающей поверхности, а относительно выбранной модели Земли [16]. Следовательно, для оценки истинной высоты объекта необходимо знать высоту подстилающей поверхности в этой модели. Между тем уровень ВП, как правило, подвержен изменениям [79].

Точностные характеристики ГНСС постепенно повышаются, но до сих пор не являются достаточными для построения автономных измерителей малых высот. Погрешность измерения включает большое число составляющих, обусловленных нестабильностью генератора, неточностью эфемерид, ионосферными и тропосферными задержками и другими факторами [50, 61]. Точность измерений существенно зависит от местоположения и ориентации приемной антенны, а также видимости спутников.

В качестве примера ниже кратко рассмотрен навигационный приемник NV08C-CSM. Данный приемник представляет собой малогабаритный встраиваемый модуль, предназначенный для приема сигналов ГНСС ГЛОНАСС, GPS NAVSTAR, GALILEO, COMPAS. К его достоинствам относятся высокая чувствительность, быстрота получения первых навигационных данных, высокая помехозащищенность и низкое энергопотребление. Точность определения местоположения в плоскости составляет порядка 2,5 м в автономном режиме и 1 м в дифференциальном режиме. Точность определения высоты составляет 3 м. Приведенные показатели представляют собой типовые значения средних квадратических отклонений (СКО) [16].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Крысин Дмитрий Юрьевич, 2016 год

/ \

\

\

\

ДХ, пиксели ПМ: ДУ=0; ^ 300, 400, 500 9=0°; Y=0°

ДY, пиксели ПМ: Д<=0; ^ 300, 400, 500 9=0°; Y=0°

Рисунок Б.3 - Зависимости ошибки оценки высоты от ошибки оценки координат фотоизображения оптического излучателя: (а) ограниченной осью абсцисс; (б) ограниченной осью ординат (для различных значений высоты). Представленные графики являются сечениями графиков, представленных на рисунке Б.1, которые получены с помощью ортогональных плоскостей, проходящих через оси координат. Вывод: ошибка оценки координат фотоизображения оптического излучателя по оси абсцисс оказывает большее влияние на точность оценки высоты, чем ошибка по оси ординат.

20

0

0

-10

-20

2

3

2

3

ди=|цдх,е| дн=цдх,е|

9, град. 9, ерад.

ПМ: Лх=2; Лу=0; Н: 300, 400, 500 тт; Y=0o ПМ: Лх=2; Лу=0; Н=500 тт; Y=0o

Рисунок Б.4 - Зависимости ошибки оценки высоты от угла тангажа при фиксированной ошибке оценки координат фотоизображения оптического излучателя по оси абсцисс: (а) для нескольких значений высот; (б) для одного значения высоты

дн=цдх,е|

I

<

-0.943 г

б

-0.944 --0.945 --0.946 -^ -0.947 -

X -0.948 -<

-0.949 --0.95 --0.951 -

дн=цдх,е|

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

9, град.

-0.952

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

9, град.

ПМ: Дх=0; Ду=2; Н=500 тт; Y=0°

ПМ: Дх=0; Ду=2; Н: 300, 400, 500 тт; Y=0o Рисунок Б.5 - Зависимости ошибки оценки высоты от угла тангажа при фиксированной ошибке оценки координат фотоизображения оптического излучателя по оси ординат: (а) для нескольких значений высот; (б) для одного значения высоты. Вывод: угол тангажа не оказывает существенного влияния на ошибку оценки высоты.

-0.2

а

-0.3

-0.4

-0.5

,-0.6

-0.7

-0.8

-0.9

ДН=^Дх,у)

X

<

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

У, град.

ПМ: Дх=2; Ду=0; H: 300, 400, 500 тт; 9=0°

ДН=((Дх,у)

X

<

-6 -4-2 0 2

У, град.

ПМ: Дх=2; Ду=0; H=500 1тит1; 9=0

6 8 10

Рисунок Б.6 - Зависимости ошибки оценки высоты от угла крена при фиксированной ошибке оценки координат фотоизображения оптического излучателя по оси абсцисс: (а) для нескольких значений высот; (б) для одного значения высоты

-19.65

б

а

-19.7

-19.75

-10

-12

-19.8

-19.9

-16

-18

-19.95

-20

-20

о

ДН=(Дх,у)

ДН=(Дх,у)

X

< -0.8

X

<

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

У, град.

ПМ: Дх=0; Ду=2; Н: 300, 400, 500 тт; 9=0°

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

У, град.

ПМ: Дх=0; Ду=2; Н=500 тт; 9=0°

Рисунок Б.7 - Зависимости ошибки оценки высоты от угла крена при фиксированной ошибке оценки координат фотоизображения оптического излучателя по оси ординат: (а) для нескольких значений высот; (б) для одного значения высоты. Сравнение рисунка Б.6, б и рисунка Б.7, б позволяет сделать вывод, что изменение угла крена оказывает большее влияние на точность оценки высоты в случае ошибки оценки координат фотоизображения оптического излучателя по оси ординат. Кроме того, ошибка оценки координат фотоизображения оптического излучателя по оси ординат оказывает большее влияние на точность системы при отклонении по крену, чем при отклонении по тангажу.

-0.5

б

а

-0.6

-0.7

-0.8

-1.1

-1.2

ДХ, пиксели

ДХ, пиксели

ПМ: H: 300, 400, 500 mm; 9=0°; y=0°

ДХ, пиксели

ДY, пиксели

ДХ, пиксели

ПМ: 9: -10°, 0°, 10°; H=500 mm; y =0°

ДY, пиксели

ДХ, пиксели

ДY, пиксели

ДХ, пиксели

ПМ: y: -10°, 0°, 10°; H= 500 mm; 9=0°

Рисунок Б.8 - (а-в) Зависимости модуля ошибки оценки угла тангажа от ошибки оценки координат фотоизображения оптического излучателя; (г-е) зависимости модуля ошибки оценки угла крена от ошибки оценки координат фотоизображения оптического излучателя (при различных пространственных положениях объекта: на каждые оси выведено по три графика). Вывод: графики практически совпадают. При этом ошибка оценки угла тангажа в основном зависит от ошибки оценки координат фотоизображений оптического излучателя по оси абсцисс, а ошибка оценки угла крена — от ошибки по оси ординат.

г

д

е

ДН=^Д|_)

X

<

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6

ММ

Ду=^Д|_)

В 0.2

X

<

-0.4 -6

-2 0 2 1_у , м м

Д0=^Д|_)

X

< -01

65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75

1_х, м м

ПМ: Н=500 тт; 9=0°; Y=0o

Рисунок Б.9 - Зависимости ошибки оценки высоты от ошибки оценки пространственного положения оптического излучателя в ССК камеры. Вывод: при горизонтальном положении снимка ошибка оценки координат оптического излучателя по вертикальной оси приводит к ошибке оценки высоты, приблизительно равной половине провоцирующего фактора.

0.3

2.5

б

а

0.2

0.1

0.5

0

0

-0.5

-0.2

-0.3

0.3

0.1

0

-0.1

-0.2

-0.3

4

6

ПМ: Н=300 тт; 9=0°; Y=0°

Рисунок Б.10 - Зависимости ошибки оценки и модуля ошибки оценки высоты от ошибки оценки координат главной точки снимка (для одного значения высоты). Вывод: графики подобны графикам зависимостей ошибки оценки высоты от ошибки оценки координат фотоизображения оптического излучателя, приведенным на рисунке Б.1.

ДН=^ДР,ДН) Д0=^ДР,ДН)

Д %

Рисунок Б.11 - Зависимости ошибки оценки высоты и углов ориентации от ошибки оценки фокусного расстояния одной из камер. Вывод: ошибка оценки фокусного расстояния в 1 % дает относительную ошибку оценки высоты около 0,5 %. Калибровка стереосистемы обеспечивает более высокую точность оценки фокусного расстояния (см. п. 2.4.2). Следует также отметить, что ошибка оценки фокусного расстояния оказывает большее влияние на оценку угла тангажа, чем на оценку угла крена.

ДН=Г(ДТ,ДН) Д0=^ДР,ДН)

ДТ , %0

Рисунок Б.12 - Зависимости ошибки оценки высоты и углов ориентации от ошибки оценки базисного расстояния камер. Вывод: ошибка оценки базисного расстояния в 1% дает приблизительно аналогичную относительную погрешность оценки высоты и оказывает более весомое влияние на оценку угла тангажа, чем на оценку угла крена.

Приложение В (справочное)

Акты о внедрении результатов диссертации

А

jji/f РАДИОАВИОНИКА

I I T ti Г\ > 1ТЛЛ Ли| I im .ЯП. .л Jk ~ . _____ _

Открытое акционерное общество

07.09.2015г,

Почт адрес: а/я 111, Санкт-Петербург. 190103 Факт, адрес: Троицкий пр., д.4, лит. Б Санкт-Петербург, 190005 т.: {812) 251 4938; ф.: [phone] info@radioavtonica. ru, www, radioavianica. ru

Настоящий акт свидетельствует о том, что результаты диссертационной работы Крысина Дмитрия Юрьевича на тему «Разработка и исследование оптико-электронных систем технического зрения для определения малой дальности до водной поверхности», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы, а именно

- программно-алгоритмическое обеспечение для управления времяпролетной РМО-камерой,

- программно-алгоритмическое обеспечение для обработки и анализа дальнометрических изображений, генерируемых времяпролетной РМО-камерой,

использованы в инициативных НИОКР ОАО «Радиоавионика» по созданию комплексных навигационных систем. Указанные результаты позволили повысить качество и ускорить выполнение НИОКР.

АКТ

об использовании результатов кандидатской диссертации Крысина Дмитрия Юрьевича в НИОКР ОАО «Радиоавионика»

Н. А, Белоусов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП)

ул. Большая Морская, д. 67, Санкт-Петербург. 190000, Тел. [phone], Факс; [phone], E-mail: common @ aanet.ru ОГРН 1027810232680. ИНН/КПП 7812003110/783 S01001

о внедрении результатов диссертации Крысина Д.Ю., представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.07 -Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

Настоящий акт подтверждает, что основные результаты диссертационного исследования Крысина Дмитрия Юрьевича на тему «Разработка и исследование оптико-электронных систем технического зрения для определения малой дальности до водной поверхности» внедрены в учебный процесс кафедры аэрокосмических измерительно-вычислительных комплексов Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения и используются при проведении лекционных и практических занятий по дисциплинам:

- «Физические основы получения информации»,

- «Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов».

АКТ

Доцент кафедры №11. к.т.н.

Зав. кафедрой №11, д.т.н., профессор

Доцент кафедры №11, к.т.н.

А. В. Небылов

В. Г. Никитин

В. В. Перлюк