620.9:658.011.56 А. С. НАПОЛОВ, И. А. ЯШИН

УДК 620.9:658.011.56
А. С. НАПОЛОВ, И. А. ЯШИН
A. S. NAPOLOV, I. A. YASHIN
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПОСАДКИ ДЛЯ
МУЛЬТИРОТОРНЫХ СИСТЕМ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПАКЕТА ПРОГРАММ WOLFRAM
MATHEMATICA 9.0
DEVELOPMENT OF AUTOMATED SYSTEM FOR LANDING MULTIROTORS SYSTEMS
WITH APPLICATION SOFTWARE PACKAGES WOLFRAM MATHEMATICA 9.0
В данной статье авторы освещают проблему подзарядки аккумуляторной батареи мультикоптера и её
решение. В частности решение подзадачи наведения мультикоптера на зарядную площадку с использованием,
установленных на мультикоптере, системы GPS-компас и видеокамеры.
Ключевые слова: мультикоптер; подзарядка; Wolfram Mathematica 9.0; видеокамера; наведение; площадка.
The solution of autonomous landing subsystem for multicopters with GPS unit and digital processing of camera
stream with Wolfram Mathematica is presented in this paper
Keywords: multicopter; charging; Wolfram Mathematica 9.0.; camcorder; guidance; platform.
Мультикоптер. Достоинства и недостатки.
В современном мире развивается всё. Не стала исключением и область гражданской
авиации. Исключительное внимание к себе здесь привлекают беспилотные летательные аппараты,
мультикоптеры.
Мультикоптер — беспилотный летательный аппарат с произвольным количеством
несущих винтов. Бывают с 4 винтами (квадрокоптеры), 6 винтами (гексакоптеры) и более.
Возможности их использования весьма широки. Сферы, где их применяют это и доставка
грузов, и аэрофотосъёмка.
К главным недостаткам мультикоптеров относятся их невысокая длительность автономного
полёта, и возможность доставки лишь малого количества полезного груза. Время полёта,
составляющее от 10 до 30 минут, серьёзно ограничивает возможность использования
мультикоптера для более широкого круга задач.
Решение проблемы малого времени автономного полёта.
Для решения данной проблемы предлагается использовать следующее решение.
Необходимо расположить, на некоторой поверхности, специальную зарядную площадку.
Мультикоптер, садясь на площадку, осуществляет подзарядку своих батарей и продолжает
дальнейшую работу. Встаёт вопрос позиционирования и наведения на зарядную площадку.
Предлагается использовать, встроенные в большинстве современных мультикоптерах,
систему GPS-компас, которая позволяет мультикоптеру перемещаться в пространстве, и
видеокамеру, которая может размещаться с любой стороны мультикоптера.
С помощью системы GPS-датчик осуществляется перемещение мультикоптера по
известным координатам местонахождения зарядной площадки. Такая система имеет две
проблемы, ограничивающих её применение. Во-первых, точность GPS составляет от 2 до 5
метров. Это означает, что можно по GPS уже находиться на площадке, но в реальности она может
быть и в нескольких метрах. Во-вторых, компас при нахождении в зонах сильных
электромагнитных полей начинает неправильно работать. Для преодоления этих двух препятствий
будет использована камера.
По изображению с камеры осуществляется поиск особых маркеров, характеризующих
зарядную площадку и необходимое расположение мультикоптера на ней.
Корректировка направления движения и нужного угла поворота осуществляется по
положению этих маркеров на изображении.
Данной системы, GPS-компас и видеокамера, достаточно для бесперебойной работы
мультикоптера в течение долгого времени.
Практическое решение. Шаги алгоритма.
Алгоритм автоматизированной посадки мультикоптера выполнен с применением пакета
программ Wolfram Mathematica 9.0.
Введём некоторые определения.
Изображение-образец — изображение особого рода, необходимое для выполнения
корреляции с другим изображением-входом, с целью выделения особых маркеров на
изображении-входе.
Рисунок 1 — Изображение-образец
Изображение-вход — изображение, получаемое с камеры мультикоптера.
Рисунок 2 — Изображение-вход
Изображение-корреляция — результат корреляции изображения-образца и изображениявхода.
Изображение-выход — изображение с уже найденными на нём маркерами и
интересующими характеристиками этих маркеров.
В первую очередь, осуществляется приём изображения с видеокамеры. Полученное
изображение-вход подвергаем следующим двум операциям. Перевод в градации серого и перевод
в чёрно-белое, с последующим удалением всяческих шумов и других ненужных компонентов.
image = ColorConvert[CurrentImage[],”Grayscale”]
DeleteSmallComponents
[DeleteBorderComponents[SelectComponents[ColorNegate[Binarize[image]],Small]]]
Рисунок 3 — Чёрно-белое изображение-вход
Подобные операции, перевод в градации серого и перевод в чёрно-белое, осуществляем и с
изображением-образцом.
Рисунок 4 — Чёрно-белое изображение-образец
Для нахождения маркеров на изображении-входе используем операцию корреляции двух
изображений. Осуществляем корреляцию чёрно-белых изображения-входа и изображения-образца
в Wolfram Mathematica с помощью оператора ImageCorrelate с параметром CosineDistance.
Рисунок 5— Изображение-корреляция
На полученном, после корреляции, изображении-корреляции имеются такие области, где
произошло совпадение двух изображений. Эти области отличаются более сильным контрастом и
цветом. Производим перевод в чёрно-белое полученного изображения-корреляции.
Рисунок 6 — Чёрно-белое изображение-корреляция
На выходе получается изображение, на котором остаются только интересующие нас детали,
те самые маркеры, выделенные белым на чёрном фоне. На подобном изображении находим точки
интереса (например: центр окружности, углы прямоугольника и т. д.). В Wolfram Mathematica
точки интереса находятся с применением оператора ImageKeypoints с параметром MaxFeatures,
позволяющим выбрать несколько самых важных точек на изображении.
yrt = ImageKeypoints[СorImage,MaxFeatures → 3];
Найденные точки подвергаются анализу. По ним строятся несколько прямых и
определяются длины этих самых прямых. Среди полученных прямых определяется наибольшая по
длине. Контрольная прямая.
Рисунок 7 — Изображение-выход
По положению всех маркеров относительно изображения (в какой части находятся)
определяется направление движения мультикоптера: вперёд, назад, влево, вправо.
По наклону прямой определяется направление поворота мультикоптера: по часовой
стрелке, против часовой стрелки.
По проценту, занимаемого на изображении маркерами места, определяется необходимость
изменения положения мультикоптера или его сохранения, с целью окончания посадки.
Полученной информации достаточно, для правильной посадки мультикоптера на зарядную
площадку.
Возможные пути улучшения:
1) Более качественное удаление шумов и ненужных деталей с рассматриваемых изображений.
2) Увеличение скорости работы алгоритма.
3) Поиск оптимальных для анализа и поиска на основном изображении видов маркера.
Наполов Александр Сергеевич
НИУ МЭИ, г. Москва
Студент 4-го курса, кафедры “Электрофизика информационных систем”
Тел.: 8-965-232-33-98
Email: burnprophet2@yandex.ru
Яшин Илья Александрович
НИУ МЭИ, г. Москва
К.т.н., доцент кафедры “Электрофизика информационных систем”
Тел.: 8-915-231-84-94
Email: yashinia@gmail.com