VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

На примере автоматического беспилотного летательного аппарата (поискового дрона) разобран программно-аппаратный комплекс осуществления территориального мониторинга объектов и поиска людей.

С целью повышения эффективности проведения территориального мониторинга (охраны) объектов и увеличения скорости реагирования в случае возникновения нештатных ситуаций разрабатывается автономный беспилотный программно-аппаратный комплекс, способный выводить опера- тору информацию об обстановке вокруг какого-либо объекта.

Само устройство территориального мониторинга представляет собой беспилотный летательный аппарат (дрон), имеющий как импеллеры для осуществления вертикального взлёта и посадки, так и небольшой реактивный двигатель, позволяющий дрону находиться в воздухе длительное время. Специальное полётное программное обеспечение позволяет роботу преодолевать как воздушные препятствия, так и наземные, а также бороться с порывами ветра и стабилизироваться в полёте. Благодаря стреловидной форме корпуса и складывающимся крыльям дрон способен перейти в режим состыковки с мобильной базой для осуществления операций зарядки, мониторинга, а также в режим наземной разведки. На борту аппарата размещаются следующие виды камер: ночного видения (с инфракрасными прожекторами), высокого разрешения (FullHD), тепловизионная. Дополнительно разрабатывается оптическое устройство визуализации воздушных потоков. В качестве дополнительных опций можно подключить измерительные и дозиметрические средства, а также разместить устройство для обработки и передачи получаемой информации.

Программный комплекс состоит из нескольких модулей:

− модуль обработки видеоизображения с камер ночного видения и высокого разрешения для выявления контуров объектов с применением фильтра Габора, позволяющего при по пиксельном сканировании выбранной области выделить границы объекта;

− модуль обработки видеоизображения с тепловизионной камеры, основанный на термографическом анализе изображения;

− модуль детектирования наличия на видеоизображении человека;

− модуль определения пульса и частоты дыхания человека;

− модуль обработки информации, получаемой с датчиков устройства (GPS, ГЛОНАСС, датчик температуры, давления, высоты, влажности, освещённости и других).

Благодаря наличию нескольких независящих друг от друга одноплатных компьютеров, работающих на базе монокристальной системы Broadcom BCM2836 с четырьмя ядрами ARMv7 Cortex-A7 частотой 900 МГц и 1 ГБ ОЗУ [1], устройство способно обрабатывать объем данных, позволяющий контролировать поведение БПЛА в реальном времени.

При этом решаются следующие задачи:

- фиксация координат местоположения и отрисовка маршрута следования БПЛА на электронной карте оператора с помощью модулей GPS и ГЛОНАСС;

- автоматическая обработка информации получаемых с датчиков расстояния (лидары, инфракрасные и ультразвуковые датчики), высоты (барометр), скорости (акселерометр), углов крена, тангажа и рысканья (шестиосевой гироскоп);

- автоматическая регистрация критических повреждений: отказ двигателей, потеря мощности и высоты полета, пробой обшивки. Последнее контролируется за счет того, что в основных физических системах управления пролегают тонкие медные провода, по которым протекает электрический ток;

- корректировка маршрута с учетом возникновения препятствий или объектов, представляющих угрозу повреждения дрона при столкновении (птицы, камни или скалы, искусственные сооружения, деревья и т.д.). Контроль осуществляется за счёт встроенного радара, составляющего картину препятствий вокруг устройства с помощью инфракрасных и ультразвуковых датчиков в диапазоне 3600;

- стабилизация БПЛА в критических случаях за счет разработанных математических алгоритмов;

- автоматический взлет и посадка дрона в двух режимах: вертикальный (за счет четырех винтов-стабилизаторов) и горизонтальная (за счет элеронов, закрылок, руля высоты и руля поворота и стабилизаторов). Режим аварийной посадки активируется только в случае сильного повреждения аппарата, в следствие которого невозможно возвращение на базу [2].

Для разработки программного обеспечения устройства территориального мониторинга используются следующие среды программирования: Arduino, OpenCV, Processing, а так же среды моделирования MatLab и Simulink [3].

В MatLab осуществляется моделирование импульсной передаточной характеристики фильтра Габора, которая является свёрткой преобразований Фурье гармонической функции и гауссиана и представляется в следующем виде:

,

где λ — длина волны множителя-косинуса, θ — величина, определяющая ориентацию нормали параллельных полос функции Габора в градусах, ψ — сдвиг фаз в градусах, γ — коэффициент сжатия, характеризующий эллиптичность функции Габора, а величины x' и y', определяются следующими равенствами:

,

.

Благодаря выше перечисленным системам, устройство территориального мониторинга способно выполнять широкий спектр задач: наблюдение за обстановкой вокруг стационарного или передвижного объекта, охрана территории (поиск людей и выявление наличия разрешения у человека на пребывание на охраняемой зоне), разведка местности и картографические исследования.

Для управления устройством территориального мониторинга привлекается один оператор, владеющий элементарными навыками работы с компьютером и программным обеспечением и выполняющий задачи контроля за состоянием бортовых систем и анализа информации и сообщений, передаваемых с устройства. В случае выхода из строя элементов управления дрон совершит автоматическую посадку по возможности вблизи от точки взлёта. Предстартовая проверка работоспособности всех систем проводится в автоматическом режиме.

Передача данных и шифрование канала связи с дроном осуществляется на основе 3D-матриц, состоящих из специальных символов, алфавит которых разработан автором в июле 2015 года. В данном методе координаты символов, расположенных в трехмерной таблице случайным образом, определяются другими элементами матрицы по единственному параметру, знание которого позволяет достаточно быстро ранжировать символы в нужном порядке и расшифровать поток данных. Для летательных аппаратов военного назначения число параметров может быть увеличено до трех.

Дополнительно написан алгоритм, позволяющий компьютерам взаимодействовать друг с другом и перераспределять задачи между собой.

Таким образом, комплексное использование всех возможностей беспилотного устройства территориального мониторинга позволяет сократить число людей, отвечающих за достоверность получаемой информации, т.е. сократить антропогенные (человеческие) факторы и увеличить скорость обработки информации, следовательно, и скорость реагирования в случае возникновения непредвиденных ситуаций.

Список литературы

1. Бродин В. Б., Шагурин И. И. Микроконтроллеры. Архитектура, программирование, интерфейс. Эком, 1999.

2. Штырова, И.А. Интеллектуальный анализ данных / И.А. Штырова, Т.К. Алиев //Инновационные технологии в профессиональном непрерывном образовании: сб. науч. тр. / Изд-во «Спутник+».— М., 2011.— с. 78–82.

3. Виштак, Н.М. Средства разработки мобильных приложений дополненной реальности / Н.М. Виштак, В.А. До- рожкин// Инновации в науке.— 2015.— № 46.— с. 15–19.

Код для цитирования: Скопировать