Тема: РАЗРАБОТКА СТЕНДА ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ОПТИКО- ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ ПОСАДКИ

Системы технического зрения (СТЗ) широко используются для наблюдения и управления в автоматическом режиме за всевозможными объектами и процессами. Также быстрыми темпами увеличивается актуальность применения систем технического зрения в космических миссия и исследованиях. В цифровых системах приема и обработки изображений и видео, на которых основаны системы технического зрения, необходимо выполнять калибровку для повышения точности работы путем коррекции погрешностей параметров.
Существует статическая и адаптивная калибровка. Статическая калибровка используется до начала функционирования системы технического зрения и позволяет определять отклонения параметров системы от эталонных и проводить их коррекцию. В работе рассматривается именно статическая калибровка.
Под оптико-электронной системой посадки понимается система на основе стереозрения, которая осуществляет анализ исследуемой поверхности и выбирает наиболее подходящее место для посадки беспилотного летательного аппарата.
Тема работы выбрана в соответствии с участием в молодежном конструкторском бюро «Астероид» и относится к группе «оптико-электронная система». Эта группа занимается разработкой бортового комплекса управления (БКУ) для космического аппарата. Одной из задач группы «оптико-электронная система» является создание программного обеспечения для оптико-электронной системы посадки, а также разработка калибровочного стенда для этой системы.
Новизна разработанного программного обеспечения для оптико-электронной системы посадки состоит в новом подходе к созданию оптико-электронной системы для посадки беспилотного летательного аппарата. Разработанная система осуществляет быстрый автоматический поиск оптимального по критерию удаленности от обнаруженных неровностей рельефа поверхности места для посадки на малое небесное тело. Такие особенности обусловлены ограниченным запасом энергоресурсов беспилотного летательного космического аппарата. Выбор посадочных площадок происходит в режиме реального времени, при этом исследуемые изображения не отправляются на Землю, что позволяет значительно
ускорить процесс поиска. Данное свойство существенно отличает разработанную систему от существующих аналогов. Новизна и актуальность программного обеспечения для оптико-электронной системы посадки подтверждается наличием свидетельства о государственной регистрации разработанной программы поиска посадочной площадки, которая может быть проверена на разработанном стенде.
Разработанный калибровочный стенд позволяет провести калибровку оптикоэлектронной системы и существенно снизить погрешность определения геометрических параметров объектов при работе оптико-электронной системы. Новизна стенда заключается в возможности проведения калибровки одной или нескольких камер одновременно, также стенд помимо калибровки позволяет проверять различные алгоритмы по распознаванию элементов поверхности и проводить эксперименты с оптико-электронной системой на макетах участка поверхности из разных материалов. Новизна подтверждается отсутствием готовых калибровочных стендов с требуемыми свойствами.
Целью данной работы является: разработка программно-аппаратного стенда для калибровки точностных параметров оптико-электронной системы, определяющей геометрические характеристики поверхности для посадки.
В связи с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:
• проведение аналитического обзора существующих методов калибровки оптико-электронных систем на основе патентных и научных источников информации, выбор прототипа калибровочного стенда;
• выбор способа калибровки оптико-электронной системы, обоснование выбора приложения и оборудования для калибровочного стенда;
• разработка программно-аппаратного стенда для калибровки оптикоэлектронной системы и проверки алгоритмов поиска места посадки;
• проведение экспериментов по калибровке точностных параметров оптикоэлектронной системы на стенде.

Купить

Результаты обзора и анализа научных и патентных источников информации в ходе выполнения обзорно-аналитической части подтверждают актуальность темы и цели работы. Для разрабатываемого калибровочного стенда произведен поиск аналогов, а для оптико-электронной системы по техническому заданию составлена структурная схема. Актуальность темы и цели работы подтверждается отсутствием при обзоре литературы и патентов близких по функционалу и быстродействию аналогов разработанного стенда и алгоритма распознавания поверхности оптикоэлектронной системой. Разработанный стенд позволяет обеспечить постоянство всех параметров при позиционировании камер и калибровочного шаблона во время калибровки, также стенд позволит калибровать стереокамеры и проводить эксперименты по распознаванию поверхности.
Для геометрической калибровки используется плоский тест-объект в виде «шахматной доски». В качестве прототипа разрабатываемого калибровочного стенда выбрано устройство из патента RU 2280892 С1. Техническое оснащение японского космического аппарата «Hayabusa-2» выбрано в качестве аппаратного прототипа оптико-электронной системы. Главный недостаток прототипа - продолжительное время выбора подходящей площадки.
Были рассмотрены самые распространенные способы калибровки оптикоэлектронных систем и выбрана технология, представленная Zhengyou Zhang. Достоинством данного способа является точность геометрической калибровки. Также такую калибровку возможно проводить для одной камеры, находящейся в движении.
Чтобы решить проблему объемных и сложных вычислений в программном пакете MATLAB были выбраны приложения Single Camera Calibration App и Stereo Camera Calibration App, которые реализуют выбранный способ калибровки.
Для создания калибровочного стенда выбраны широкоугольная PX-IP-DA4X- S20 PROXISCCTV и узкоугольная PNM-IP2-Z10 камеры, которые эмитирует работу камер космического аппарата, манипулятор Робин РСС-1 Сфера, на котором закрепляются камеры, а также калибровочный шаблон и макет поверхности.
В программном пакете Autodesk Inventor сформированы упрощенные 3D модели манипулятора, камер и калибровочного шаблона. Из полученных моделей составлено два варианта конструкции калибровочного стенда. Основной вариант содержит один манипулятор. В альтернативном варианте конструкции стенда используются два манипулятора расположенные напротив друг друга.
Сформированный основной вариант конструкции стенда реализован на реальном оборудовании. На стенде получены изображения калибровочного шаблона в различных положениях относительно камеры.
Для модели оптико-электронной системы и стенда по ГОСТ Р 8.879-2014 сформирована методика калибровки, описывающая условия и этапы подготовки и проведения калибровки. По ГОСТ 24026-80 выполнено планирование экспериментов на стенде.
На разработанном стенде проведена калибровка оптико-электронной системы посадки, в результате которой значение ошибки перепроецирования (абсолютная погрешность определения координат точки по изображению) снизилась с ±0,4 мм до ±0,25 мм, что соответствует 37,5 %. Относительная погрешность при этом была снижена с 1,4 % до 0,9 %, что соответствует требованиям технического задания.
Для аппаратного прототипа оптико-электронной системы проведена оценка разрешающей способности камер. На ее основе выполнен теоретический расчет влияния калибровки на ошибку перепроецирования и абсолютную погрешность. После калибровки относительная погрешность узкоугольной камеры уменьшилась: на расстоянии 5 км - с 3,5 % до 2,8 %, на расстоянии 1 км - с 0,14 % до 0,11 %. Относительная погрешность широкоугольной камеры уменьшилась: на расстоянии 1 км - с 26,9 % до 21,5 %, на расстоянии 0,1 км - с 0,27 % до 0,21 %.
Полученные результаты теоретического расчета подтверждают необходимость и эффективность применения калибровки для оптико-электронной системы посадки. Использование калибровки позволяет уменьшить относительную погрешность определения размеров по изображению оптико-электронной системой примерно на 20 %.
Результаты полученные в ходе проведения калибровки оптико-электронной системы позволили разработать программу поиска рекомендуемой для посадки
площадки с заданными геометрическими характеристиками. Программа основана на использовании стереоизображений, по которым строится карта глубины и облако точек. Далее по критерию минимизации рисков посадки выбирается наиболее удаленный участок от выявленных неровностей рельефа поверхности.
Выполнено сравнение разработанной программы с построением облака точек с программой сравнения реперных точек. Обе программы имеют одинаковые погрешности определения размеров по изображению. При этом программа по сравнению характерных точек лучше подходит для больших дистанций, а программа с построением карты глубины и облака точек должна использоваться на малых дистанциях из-за высокого быстродействия и возможности определения характера исследуемой поверхности.

Купить