Введение 2
1. Беспилотные летательные аппараты для создания крупномасштабных
топографических планов 6
1.1. Классификация беспилотных летательных аппаратов 6
1.2. Конструктивные схемы сверхлегких беспилотных летательных
аппаратов 13
1.3. Навигация беспилотных летательных аппаратов 20
1.4. Способ определения пространственных координат и углового положения
удаленного объекта, и система для реализации способа 26
2. Решение проблемы обнаружения беспилотного летательного аппарата 29
2.1. Калибровка камеры 29
2.2. Язык программирования 33
2.3. Выбор метода обнаружения беспилотного летательного аппарата 36
2.4. Определение координат беспилотного летательного аппарата 38
2.5. Лабораторные испытания 41
2.6. Полевые испытания 51
Заключение 59
Список литературы 61
Приложение
Актуальность темы. В данный момент для решения задач геодезии и топографии, а также для инженерных задач в области геодезии используются различные виды беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). С помощью камеры установленного на беспилотный летательный аппарат мы получаем изображение местности или объекта недвижимости в зависимости от наших целей. Съемка производиться с определённым значением продольного и поперечного перекрытия. Далее производиться сшивка изображения и построение облака точек, объекта или местности. По этому облаку точек возможно построить цифровую модель местности, трёхмерную модель объекта.
Так же стоит учесть, что универсального беспилотного летательного аппарат, который одинаково эффективен в инженерных и топографических работах, на данный момент не существует. Последнее время огромное количество исследований проводиться на определение возможностей беспилотного летательного аппарат типа мультикоптер.
По использованию беспилотных летательных аппаратов можно выделить следующие проблемы:
Первая проблема. Для получения достоверного и точного результата нам требуется знать элементы внутреннего и внешнего ориентирования.
Для определения элементов внутреннего ориентирования нам следует произвести калибровку камеры, способ определения главных точек и фокусного расстояния описан в разделе 2.1.
С определения элементов внешнего ориентирования немного сложнее. Возможно выделить два метода:
1. Первый метод основан на использовании GNSS приемников. Определение положения и углов крена, тангажа и рыскание возможно с помощью установленными на борту спутникового оборудования совместно с инерциальной системой.
2. В пост-процессе по результатам обработки точек на местности, которые установлены в виде марок или каких-либо характерных объектов. Определение координат на местности возможно различными способами: начиная с использования GNSS оборудования или тахеометра и заканчивая использованием достоверных карт-материалов.
Для составления топографических планов и карт возможно использование первого метода.
Для инженерных видов работ, где требуется субсантиметровая точность первый метод не подходит по причине больших погрешностей. В данных видах работ применим только второй метод определения элементов внешнего ориентирования. Но стоит учесть, что существует такие инженерные задачи, где по причине местности или каких-либо препятствий определение точек на объекте является затруднительным.
По этой причине появилась необходимость в третьем методе определения элементов внешнего ориентирования которая объединяла бы в себе практичность первого метода и точность второго.
Проанализировав полученные данные установленные на беспилотный летательный аппарат можно сделать следующие выводы:
• требуемая точность при использовании GNSS совместно с инерциальной системой является дорогой и время затратной;
• так же условия применения GNSS оборудования может быть нарушена какими-либо внешними факторами один из них переотражение.
По этой причине появилась необходимость в применении неземной станции для определения положения и углов беспилотного летательного аппарата.
«Уже существует способ автоматизированного определения координат БПЛА по измеренным вертикальным и горизонтальным углам, получаемых с помощью углоизмерительных устройств и измеренной дальности до БПЛА». [15]
Явным минусом этого метода — это очень высокая точность наведения угломерного устройства на беспилотный летательный аппарат.
Так же существует способ «Автоматизированного определения координат БПЛА по вертикальным и горизонтальным углам видеомонитора, связанным с компьютером и по измеренной дальности до беспилотного летательного аппарата» [15].
Минусом метода является невозможность определения с требуемой точностью значений расстояний и углов. Так как, беспилотный летательный аппарат определяется как помеха, которая появляется на видеокадре относительно прошлого, а значение углов определяется относительно центральной точки углоизмерительного механизма.
По данным причинам использование угломерных устройств для определения значений углов и координат беспилотного летательного аппарата является невозможным по описанным выше причинам.
Вторая проблема. Это невозможность поверки беспилотного летательного аппарата как измерительное устройства. По этой причине невозможно определить достоверность результатов, полученных с беспилотного летательного аппарата после обработки. Это значит, что использование беспилотного летательного аппарат ведет к нарушению принципа единства измерений.
В аэрофотосъемке, которая выполняется с применением классической схемы, измерение производиться с оборудование где все параметры хорошо известны и документально подтверждены отчётами. Аэрофотосъёмка, выполненная для целей составления топографических карт и обмерных чертежей никаким образом, не регламентируется. В связи с этим возникают следующие вопросы:
1. Возможность создания измерительного комплекса на основе беспилотного летательного аппарата, и какова универсальность этого комплекса?
2. Целесообразность создание комплекса в основе которого лежит беспилотный летательный аппарат типа мультикоптер?
Всё описанное выше говорит о том, что в сравнении с специалистами, которые использую в своей работе такие приборы как тахеометр или спутниковое оборудование находятся в невыгодном положении с теми, кто используют беспилотные летательные аппараты. Из этого следует что для применения беспилотного летательное аппарата так же требуется введения поверок или каких-либо других документов, подтверждающих точность данного комплекса. Беспилотный летательный аппарат так же останется носителем измерительного устройства будь то фотокамера или любой другой прибор требуемы для выполнения поставленной задачи. По этой причине измерительное устройство на основе беспилотного летательного аппарата возможно в случае точного определения положения и углов положения мультикоптера в требуемой системе координат. Решение данной задачи возможно с применением от трех и более точек с установленными на них устройствами по определению расстояний до беспилотного летательного аппарата.
Третья проблема. Обнаружение и определение предварительных координат беспилотного летательного аппарата. Эта проблема является одной из основных при построении измерительного комплекса. Эта же причина является одним из минусов других методов, описанных выше. По причине того, что наведение дальномерного устройства требуется производить с определенной точностью. Именно эта проблема будет решать в данной магистерской диссертации.
Цели и задачи диссертации:
1. развитие концепции фотограмметрического измерительного комплекса на основе БЛА;
2. решение проблемы, связанной с обнаружением БЛА;
3. исследование возможности применения прямой фотограмметрической засечки для определения координат БЛА.
Теоретическая значимость. В ходе выполнения исследований были решены некоторые задачи фотограмметрии для общего случая съемки. На алгоритмическом языке Python Написан код для автоматического определения координат объекта с помощью прямой фотограмметрической засечки, опробованы несколько способов обнаружения БЛА.
Достоверность результатов подтверждается итогами обсуждения выступлений об основных результатах на научно-технических конференциях студентов КФУ, по результатам исследований подана заявка на изобретение (№ заявки).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав основного текста и заключения. Список литературы насчитывает 17 наименований. Общий объем составляет 66 страниц и включает 12 таблиц, 26 рисунков.
Результаты, полученные в данной диссертации, являются логическим продолжением разработок и исследований, изложенных в работах [15], [16], в которых был предложен эскизный проект, состав комплекса, а так же, вариант технического решения определения предварительных координат беспилотного летательного аппарата. Предварительные координаты БЛА необходимы для автоматического наведения на БЛА дальномерных станций (минимум 3-х). Определение предварительного положения (координат) БЛА в пространстве в данном варианте предлагалось выполнять посредством ГЛОНАСС/GPS оборудования, установленного на БЛА и дальномерных станциях.
Развитие идеи измерительного комплекса, повышение его надежности потребовали поиска дополнительных решений по определению предварительного положения БЛА в пространстве. В качестве такого дополнительного решения - рассмотрен метод пространственной фотограмметрической засечки. Использование данного метода должно опираться на автоматизированное распознавание изображений объекта (БЛА), полученных штатными фотокамерами, установленных на дальномерных устройствах комплекса.
В результате исследований было подтверждено, что фотограмметрический метод пригоден для решения поставленной задачи: определение предварительных значений координат беспилотного летательного аппарата.
Для автоматизированного распознавания изображения БЛА были проведены эксперименты с применением следующих методов: метод по шаблону, метод по цвету, метод оптического потока. Методы были реализованы посредством написанного кода (программа) на алгоритмическом языке Python. В результате исследований было установлено следующее:
• Метод по шаблону плохо подходит для данного вида работ.
• Метод по цвету работает хорошо, но требует значительного времени на обработку, что при условии дальнейшей передачи координат положения беспилотного летательного аппарата на лазерные дальномеры может быть не приемлемым.
• Оптический поток прекрасно работает, но в случае если на снимках будет множество общих точек кроме самого беспилотного летательного аппарата, то определение его координат будет затруднительно.
С учетом особенностей каждого метода -- лучше применять два метода одновременно. В этом случае алгоритм определения предварительного положения беспилотного летательного аппарата позволит получать надежные значения координат, что подтверждается сравнением фактических и контрольных данных.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
