Разработка и испытания опытного образца модуля автономной навигации для беспилотных летательных аппаратов

В настоящее время беспилотные летательные аппараты (БПЛА) находят широкое применение в различных областях, в частности, для мониторинга объектов с воздуха, геодезической и аэрофотосъемки, сельском хозяйстве, доставки товаров, тушения пожаров и поиска людей и др. В подавляющем большинстве случаев, для позиционирование БПЛА в пространстве используется методы спутниковой навигации (GPS, ГЛОНАСС и т.п.), которые характеризуется высокой точностью позиционирования, относительной дешевизной оборудования и широкой доступностью. В тоже время, точность спутниковых методов навигации сильно зависит от качества приема спутникового сигнала, наличия / отсутствия радиоэлектронных помех ( что особенно актуально при полетах вблизи крупных населенных пунктов, линий электропередач и т.д. ), рельефа местности, погодных условий и т.д. Особенности расположения орбит навигационных спутников, ориентированных на работу в средних и низких широтах, приводят к сложностям использования спутниковой навигации в высоких широтах, в том числе на Крайнем Севере. Кроме того, спутниковые сигналы могут быть целенаправленно заглушены, а в случае использования незашифрованных гражданских систем навигации, возможна подмена исходного спутникового сигнала и перехват управления БПЛА. Все это накладывает определенные ограничения на области применения БПЛА, использующие спутниковые каналы связи для позиционирования. Данный проект посвящен разработке автономной системы навигации, для определения местоположения использующей изображение с видеокамер БПЛА и алгоритмы компьютерного зрения. Спутниковый сигнал при этом не используется. Алгоритмы компьютерного зрения применяются во множестве областей, таких как, разработка систем интеллектуального видеонаблюдения и систем контроля доступа, дополненная реальность и обработка видео, создание умных городов и т.д. Наиболее близкими, к данному проекту, областями применения являются разработка беспилотных транспортных средств и обработка спутниковых снимков. В разрабатываемом модуле навигации изображение с видеокамеры, установленной на БПЛА, будет обрабатываться искуственной нейронной сетью типа автокодировщик, в результате такой обработки изображение будет представлено в виде характеристического уникального вектора конечной длины, по сути, данная обработка представляет собой сжатие данных без потери характеристических особенностей. Имея заранее рассчитанную базу (БД) данных векторов (с привязкой к географическим координатам) для области полета БПЛА и осуществляя поиск текущего вектора по базе данных возможно определить текущее положение БПЛА. Отличительной от конкурентных решений особенностью, является использование искуственных нейронных сетей типа вариационный автокодировщик, что, во-первых, существенно снизит требования к количеству векторов в базе данных и, соответственно, к размеру БД и увеличит скорости работы системы, во-вторых, обеспечит стабильность работы модуля навигации в различное время суток, при различных погодных условиях и смене времен года. Все необходимые вычисления, такие как обрабока входного изображения, поиск по БД и определения положения будут проводится непосредственно на борту БПЛА. Для этого БПЛА будет оборудован дополнительным модулем, включающим в себя одноплатный микрокомпьютер класса Nvidia Jetson, Orange PI и т.д. (окончательный вариант микрокомпьютера будет выбран при выполнении проекта), Отличительными особенностями устройств такого класса является наличие специальных модулей для ускорения нейронных сетей (что позволит обрабатывать данные с видеокамеры в реальном времени со скоростью 25 кадров в секунду), низкое энергопотребление (до 10Вт) и низкий вес (до 50гр). Таким образом, общий вес навигационного модуля, по нашим оценкам не превысит 100гр (при использовании встроенной камеры БПЛА). При необходимости установки дополнительной камеры масса возрастет до 120-130гр. Это делает возможным установку разрабатываемого модуля на небольшие БПЛА. По оценкам авторов проекта, точность позиционирования составит менее 1м при высоте полета БПЛА 50м. Создаваемый модуль навигации, основанный на использовании алгоритмов компьютерного зрения позволит определить местоположение БПЛА без использования традиционных спутниковых систем. Это дает возможность: (1) использовать систему как дублирующую, для коррекции результатов традиционной спутниковой системы навигации (2) проводить полеты БПЛА в условиях затруднительного приема спутникового сигнала, например в плотной городской застройке, условиях Крайнего Севера, в случах намеренного глушения спутникового сигнала (3) реализовать защиту от намеренной подмены спутникогово сигнала с целью кражи (перехвата управления) БПЛА. Помимо позиционирования БПЛА, функциональность данного модуля может быть расширена для решения задач других задач, например: поиска оптимального посадочного места, предотвращения столкновений в высокостоящими объектами, детектирования объектов и т.д. Таким образом, разрабатываемая система автономной навигации может существенно расширить области применения беспилотных летательных аппаратов.