Введение к работе
Актуальность темы. Потребности в проведении подводных научных исследований, поиске и обследовании подводных объектов, высокоточном картографировании дна, выполнении подледных операций и решении других задач обусловили интенсивное развитие необитаемых подводных аппаратов (НПА). Большой вклад в это направление внесли как российские (М.Д. Агеев, B.C. Ястребов, В.А. Челышев и другие), так и зарубежные (D. Blidberg, A. Healey, Т. Ura, J. Bellingham, A. Pascoal, V. Regard, Т. Austin и многие другие) исследователи.
В настоящее время остается нерешенным вопрос точной локальной навигации НПА вблизи объекта работ в условиях воздействия внешних возмущений в виде подводного течения, морского волнения, силовых реакций со стороны кабеля или собственных механизмов (манипуляторов и т. д.). Высокоточное определение параметров движения необитаемого подводного аппарата является важной задачей при проведении операций, связанных с осмотром подводных сооружений, стыковкой с донной станцией, а также выполнением прецизионных измерений.
Основная проблема обеспечения точной локальной навигации связана с отсутствием надежных измерителей локальных перемещений НПА. Попытки использовать в качестве датчиков обратных связей в контуре позиционирования НПА информацию о скорости перемещения от абсолютных гидроакустических лагов или о линейных ускорениях от устройств инерциальной навигации не обеспечивают требуемую точность. Также не обладают необходимой точностью и гидроакустические дальномерные системы подводной навигации. Именно поэтому чрезвычайно актуальны работы по поиску новых принципов построения таких систем.
Одним из наиболее емких источников информации под водой являются видеоизображения. В последние годы проводятся обширные исследования в области использования видеоинформации для решения задачи позиционирования НПА (S. Negahdaripour, J. Santos-Victor, Т. Ura, H. Singh, А.Ф.Щербатюк и др.). Сложности формирования подводных изображений связаны с сильным затуханием света под водой, что уменьшает дальность действия видеосистем, и необходимостью использовать точечные источники освещения, что приводит к неравномерной подсветке донных объектов. В отличие от подобных сухопутных систем, в которых для навигации, как правило, используются изображения искусственных объектов с четкими границами, на подводных изображениях искусственные объекты заилены и подвержены обрастанию, что искажает их границы и формы. В связи с этим актуально решение поставленной в диссертации задачи определения параметров движения НПА на основе обработки последовательных видеоизображений, содержащих случайные объекты на морском дне, без применения искусственных маркеров. Традиционно применяемый в наземных системах метод оценки оптического потока сложно использовать под
водой в условиях невысокой прозрачности воды и невысокой четкости изображений. В работе предложены алгоритмы, основанные на сопоставлении локальных признаков изображений донных объектов, которые более устойчивы к колебаниям освещенности и низкой контрастности объектов на изображениях.
Целью работы является разработка и исследование алгоритмов автоматической локальной навигации НПА на основе обработки видеоинформации. Основные задачи исследования:
анализ современных методов определения параметров движения НПА с использованием видеоданных;
разработка и исследование алгоритмов локальной навигации НПА на основе обработки последовательных видеоизображений с использованием модельных и реальных данных;
разработка комплекса программ, реализующего работу предложенных алгоритмов в составе бортовой навигационной системы подводного аппарата;
экспериментальная проверка и натурные испытания системы определения параметров движения НПА, основанной на обработке видеоизображений.
Методы исследования. При выполнении работы применялись методы теории управления, распознавания образов, принятия решений, математического моделирования, теории фильтрации, а также производились лабораторные и морские эксперименты.
Положения, выносимые на защиту:
алгоритмы локальной навигации НПА на основе обработки последовательных видеоизображений;
программная реализация алгоритмов в составе НПА, обеспечивающая определение параметров движения НПА на основе обработки последовательных видеоизображений;
результаты модельных исследований и натурных испытаний системы определения параметров движения НПА, основанной на обработке видеоизображений.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что, на основании анализа современных методов и средств, разработаны и исследованы алгоритмы локальной навигации для нового класса транспортных систем - НПА -на основе обработки последовательных видеоизображений, которые характеризуются низкой контрастностью, высокой зашумленностью и отсутствием искусственных эталонных маркеров. Выполнены лабораторные и натурные испытания разработанной системы с использованием НПА TSL, которые выявили ее более высокую точность по сравнению с современными системами определения параметров движения подводных объектов, а также подтвердили возможность определения смещения НПА относительно фиксированного участка дна без накопления ошибки в зависимости от времени.
Практическая значимость работы заключается в разработке и реализации на борту НПА высокоточной системы определения параметров движения на основе обработки видеоинформации. Использование данной системы обеспе-
чивает выполнение прецизионных операций при работе с использованием манипуляторов при применении телеуправляемых НПА, осуществление стыковки автономных НПА, а также их высокоточное маневрирование среди подводных конструкций. Система позволяет с высоким качеством стабилизировать положение НПА и выполнять измерения параметров водной среды и съемку подводных объектов. Работа выполнялась в рамках НИР «Разработка технологии создания интеллектуальных подводных роботов на основе реконфигурируемых системных архитектур и высокоточных методов навигации и управления» N гос. регистрации 01.2006 06513, а также при поддержке грантов N 050833333а, 060807501k, 060896928р_офи и 070800596а.
Достоверность исследований обеспечивается обоснованием выбора используемых теоретических методов и подтверждается результатами модельных исследований и натурных испытаний.
Апробация результатов работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах ИПМТ ДВО РАН, а также следующих международных и отечественных конференциях:
Workshop on Sensors and Sensing Technology for Autonomous Ocean Systems. Hawaii, Oct 29-Nov 03, 2000;
"Underwater Technologies -2000", Tokyo, 22-25 May, 2000;
4-я Дальневосточная конференция студентов и аспирантов по математическому моделированию. Владивосток, 2000;
Вторая Международная НТК «Технические проблемы освоения Мирового океана», Владивосток, 2007;
The 8th ISOPE Pacific/Asia Offshore Mechanics Symposium. Bangkok, Thailand, November 10-13, 2008,
Третья Всероссийская НТК «Технические проблемы освоения мирового океана», Владивосток, 2009.
Публикация результатов работы. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из которых шесть работ - доклады на российских и четыре работы - доклады на зарубежных конференциях, две работы - в научных сборниках и две работы опубликованы в журналах из списка, рекомендованного ВАК. Личный вклад автора: Основные научные положения, теоретические выводы, а также практические результаты модельных экспериментов и морских испытаний, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. В совместных работах автор внес следующий вклад: [1-2] - разработка структуры системы технического зрения НПА; [3-4] - программная реализация и компьютерное моделирование совместно разработанного алгоритма,; [6] - алгоритмы предобработки изображений и совместное исследование с использованием модельных и реальных данных; [8] - функциональная структура системы технического зрения (СТЗ) НПА и алгоритмы ее работы; [9-10] - алгоритмы выделения одних и тех же случайных объектов на последовательных кадрах и определения их взаимного перемещения, совместные результаты мо-
делирования их работы и морских испытаний; [11] - результаты совместных морских исследований с использованием разработанной им СТЗ для НПА TSL; [12] - алгоритмы работы программного обеспечения для моделирования и результаты совместных исследований влияния искажения геометрических характеристик изображений донных объектов.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объём диссертации составляет 121 страницу, в том числе 32 иллюстрации. Список литературы включает 98 наименований.
