Фильтрация и управление в стохастических системах с дискретно-непрерывными свойствами в приложении к задачам обработки видеопоследовательностей

Видеонавигация беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с помощью данных, регистрируемых оптической камерой, наблюдающей неподвижную поверхность земли, является перспективным направлением реализации автономного полета, которое может служить дополнительным источником данных для управления в условиях невозможности использования внешних данных спутниковой навигации GPS или ГЛОНАСС, а также при отказе или ненадежной работе собственных средств навигации. 

Для решения задачи оценивания положения и скорости аппарата предложено применить сложный метод, включающий целый ряд вспомогательных численных методов и алгоритмов. Производится непрерывная съемка ландшафта с некоторой частотой. Получаемое изображение описывается рядом характеристик. Движение БПЛА приводит к непрерывному процессу локальных трансформаций изображения. на основе которых можно вычислить параметры движения БПЛА. Выполнен ряд работ по изучению свойств алгоритмов, построенных на основе предложенной модификации подхода к оцениванию собственного положения в пространстве для движущегося объекта. Отдельным примером может служить алгоритм управления разрешающей способностью оптико-электронной системы при посадке БПЛА.

Обработка изображений в системах, использующих видео или акустические наблюдения как дополнительные датчики, необходимые для выполнения основной задачи (миссии) автономного носителя, значительно отличаются от традиционных, и ориентированных на наблюдение и анализ человеком-оператором. Существуют различные подходы к управлению АНПА с помощью различных алгоритмов оценки скорости-положения. Традиционно в этой области применяется расширенный фильтр Калмана: он стал универсальным инструментом для нелинейных моделей наблюдений, и его использование повсеместно. Между тем, специфические характеристики подводной навигации, такие как: неполный набор измерений; ограничения на измерение дальности или даже невозможность измерения дальности; наблюдения, обеспечиваемые довольно специфическими акустическими маяками, сонарные наблюдения и другие особенности, серьезно сужают применимость обычных приборов из-за высокого уровня неопределенности и нелинейности. Навигационная система АНПА, не способная полагаться на один источник оценки местоположения, должна учитывать всю доступную информацию. Это приводит к необходимости использования различных сложных алгоритмов оценки и комплексирования данных.

Эволюция регистрируемого рельефа, по аналогии с видеопоследовательностью, также содержит в себе информацию о скорости движения АНПА, что дает возможность получить оценки скорости и положения АНПА без предварительного картографирования морского дна. Предложен основанный на карте расстояний метод управления и навигации АНПА в локально оптимальной постановке и проведено сравнение с традиционными подходами. Разработан алгоритм измерения скорости и оценки положения по эволюции «акустических изображений», основанный на измерении рельефа дальностей (от АНПА до морского дна) , регистрируемые акустическим сонаром. Для решения задач навигации беспилотных аппаратов в подводной среде с применением гидролокационных и доплеровских наблюдений предложено применение условно-минимаксной нелинейной фильтрации для онлайн-оценки движения подводного аппарата с учетом комбинации гидролокационных и доплеровских наблюдений с шумами в дискретном времени.

Одним из основных средств ориентации является определение в текущем регистрируемом изображении наземных ориентиров с известными координатами, что позволяет, в свою очередь, определить и истинное положение аппарата. Для БПЛА проведено дальнейшее развитие методологии навигации по наблюдениям разреженного (точечного) оптического потока, позволяющее уменьшить количество необходимых измерений не ухудшая качество отслеживая полетных параметров.

Среди огромного множества задач, решаемых с помощью БПЛА, имеется специфический класс задач — поисковые операции. Они обычно осуществляются в два этапа. Первый — это обзор области наблюдения и сбора данных с помощью оптоэлектронных камер, а второй — передача данных в центр управления полетами. Очень часто наблюдаемый объект находится довольно далеко от зоны покрытия сети общего пользования или группы мобильных базовых станций, временно развернутых для поисковой миссии. Это, а также ограничения, вызванные особенностями земной поверхности, могут препятствовать немедленной передаче собранных данных. Следовательно, после сбора данных БПЛА должен найти подходящую позицию для успешной передачи информации. 

Задача планирования поисковой миссии БПЛА интерпретирована как задача оптимизации пути. Цель оптимизации — выбрать лучшие условия для сбора и передачи данных при заданной скорости движения и временных ограничениях. Параметры оптимизации: траектория БПЛА и план передачи данных, таким образом, задача оптимизации естественным образом раскладывается на внутреннюю задачу оптимизации передачи данных и планирования траектории для наблюдения и поиска. Сформулирована и решена задача планирования траектории БПЛА при выполнении поисковых заданий. 

Дальнейшее развитие численных методов стохастического управления марковскими цепями также лежит в русле развития инновационных технологий в задачах анализа, слежения и управления движением автономных объектов, где решение задач при неполной информации обычно приводит к решению нелинейных дифференциально-функциональных уравнений в частных производных. Однако, аппроксимация стохастической системы марковской цепью позволяет найти решение с помощью системы обыкновенных дифференциальных уравнений, что позволяет использовать простые и эффективные численные методы.