Разработка алгоритмического, математического и программного обеспечения системы моделирования автономного позиционирования БПЛА (аппаратно-программного комплекса) на основе технологий машинного зрения, искусственного интеллекта и параллельных вычислений

Номер контракта: 07.514.11.4033
Приоритетное направление: Информационно-телекоммуникационные системы
Критическая технология: Технологии информационных, управляющих, навигационных систем
Период выполнения: 23.09.2011 — 22.08.2012
Исполнитель: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт программных систем им. А.К. Айламазяна Российской академии наук

Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, автономное позиционирование, система технического зрения, обработка изображений, аппаратно-программный комплекс

1. Цель исследования, разработки

а) Формулировка задачи/проблемы, на решение которой направлен проект

Основной задачей работы является разработка принципов и методов решения задачи позиционирования беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) на базе системы технического зрения. Проведение работы основывается на методологии моделирования систем технического зрения и позиционирования БПЛА с помощью современных аппаратных и программных средств.

б) Формулировка цели реализованного проекта

Целями выполнения НИР являются:

получение научно-технического задела в области разработки программного обеспечения, осуществляющего ввод, обработку и анализ видеоданных об объектах местности, получаемых фото и видеокамерами, и сличение их с данными аэро и спутниковой фотосъемки;
построение прототипа программно-технического комплекса имитационной модели системы автоматического ориентирования для проверки работоспособности базовых алгоритмов определения координат на основе данных аэро и фотосъемки;
проведение экспериментов и получение научно-технических решений для создания системы автоматического ориентирования БПЛА на основе технологий машинного зрения, искусственного интеллекта и параллельных вычислений.

2. Основные результаты проекта

а) Краткое описание основных полученных результатов

На основе известных в литературе и разработанных исполнителями НИР методов обработки видеоданных и позиционирования БПЛА созданы оригинальные алгоритмы решения задач моделирования системы автоматического ориентирования БПЛА, отвечающие всем аспектам функционирования реальной системы технического зрения БПЛА, не требующие сигналов GPS/ГЛОНАСС.

С использованием этих методов и алгоритмов разработан экспериментальный образец аппаратно-программного комплекса "Навигатор-М" (ЭО АПК "Навигатор-М"), предназначенного для моделирования полета беспилотного летательного аппарата (БПЛА), моделирования генерации системы снимков с борта БПЛА и определения ориентации БПЛА. В ходе работы ЭО АПК "Навигатор-М" моделируется полет БПЛА средствами компьютерной графики (генерация кадров видеоряда с помощью камеры, установленной на аппарате), а также решается задача автоматического определения положения и ориентации аппарата во время полета.

б) Основные характеристики созданной научной продукции

Пользователь ЭО АПК "Навигатор-М" имеет возможность выполнить следующие действия с помощью графического интерфейса:

задать спутниковый снимок местности, в пределах которой виртуальный аппарат совершает свои полеты;
задать технические характеристики БПЛА;
задать технические характеристики камеры БПЛА;
запустить процесс моделирования полета БПЛА;
генерировать видео, аналогичное снятому камерой БПЛА;
искать на кадрах объекты и прослеживать их;
запустить процесс вычисления положения и ориентации аппарата;
оценить погрешности в определении положения и ориентации аппарата.

Программа написана на языке программирования C++, для ее сборки необходимо наличие компилятора g++ версии 4.4.0 или более новой.

Аппаратная часть ЭО АПК "Навигатор-М" состоит из Вычислителя и сервера управления Вычислителем. Вычислитель представляет собой кластерную систему из множества вычислительных узлов, объединённых между собой высокопроизводительной коммуникационной сетью. Сервер управления Вычислителем выполняет функцию управления и мониторинга вычислительных узлов, а также обеспечения единой точки входа для пользователей Вычислителя.

в) Оценка элементов новизны научных решений и сопоставление с результатами аналогичных работ

Научные решения, предложенные в рамках проекта (итерационная схема автономного позиционирования БПЛА, методы управления полетом БПЛА вдоль заданной траектории, алгоритмы вычисления трехмерных координат БПЛА, ЭО АПК "Навигатор-М"), содержат элементы научной новизны и соответствуют мировому уровню научных работ в области позиционирования БПЛА.

3. Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках исследования, разработки

4. Назначение и область применения результатов проекта

Результаты НИР могут быть рекомендованы для применения разработчикам БПЛА, занимающимися вопросами создания альтернативных источников навигации, в том числе МКБ "Компас" (Москва), группе компаний "Транзас" (Санкт-Петербург), КБ "Луч" (Рыбинск), ООО "Аэрокон" (Казань). Полученные теоретические результаты могут применяться при разработке бортовых навигационных систем БПЛА с целью получения новых технических решений по аппаратному и программному обеспечению систем управления летательных аппаратов и мобильных роботов. Область приложений включает как военную, так и гражданскую сферы (картографирование, геологоразведка, сельское хозяйство, связь, охрана границ, лесов, полицейское патрулирование, мониторинг опасных объектов и процессов, информационное сопровождение чрезвычайных ситуаций, наблюдение за ЛЭП, газо- и нефтепроводами)

5. Эффекты от внедрения результатов проекта

Ожидается, что разрабатываемые методы обработки видеоданных обеспечат эффективное по точности, скорости и надежности решение задачи автоматического ориентирования БПЛА. Использование методов компьютерного моделирования при разработке систем навигации БПЛА приведет к повышению производительности труда благодаря сокращению времени и снижению материалоемкости производства.

Полученные результаты обеспечат повышение помехоустойчивости систем навигации БПЛА и уменьшение зависимости от импорта. Экономическая значимость работы оценивается как высокая с учетом возможности оснащения перспективных и существующих БПЛА дополнительным источником позиционирования, позволяющим решать навигационные задачи в случае отсутствия или подавления сигнала GPS/ГЛОНАСС.

6. Формы и объемы коммерциализации результатов проекта

Коммерциализация проектом не предусмотрена.

Назад в список проектов