УДК 621

О возможности применения технологии Lidar на беспилотных летательных аппаратах для определения передвижения объектов наблюдения в реальном времени

Куренной Александр Александрович – магистрант Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики

Аннотация: В статье рассмотрены технические характеристики и возможности технологии LiDAR при их использовании в качестве полезной нагрузки на беспилотных авиационных системах. Рассмотрена теоретическая возможность построения современной системы обнаружения перемещения живой силы и техники в реальном времени, на базе геостационарного беспилотной авиационной системы или группы таких авиационных систем объединенных в единый защищённый информационный «облачный» ресурс, обладающий свойствами «роя» и расширенными функциями взаимозамещения и выполнения как групповых так и персонализированных задач.

Ключевые слова: беспилотная авиационная система, дистанционное зондирование земли, лидар, беспилотный летательный аппарат, FPV, PPI.

Развитие МЕМС (Микроэлектромеханические системы (МЭМС) – устройства, объединяющие в себе взаимосвязанные механические и электрические компоненты микронных размеров.) технологий, состоящих из механических элементов, датчиков, электроники, приводов и устройств микроэлектроники, расположенных на общей кремниевой подложке, кардинально изменили нашу жизнь и технологии во всех отраслях промышленности. Это позволило значительно сократить массогабаритные размеры и повысить надежность изделий без потери их производительности, что, собственно, и дало толчок к развитию робототехники и кардинально изменило технологии разработки беспилотных авиационных систем (далее – БАС).

Данный технологический рывок массово вывел БАС в область коммерческого применения. В настоящий момент они используются для доставки грузов, а также для выполнения различных задач в зависимости от установленного на них, в качестве полезной нагрузки, оборудования.

МЕМС также позволили значительно увеличить количество разнообразного оборудования, носимого и используемого на БАС. Одним из таковых является сканирующие лидар (Лидар – LiDAR (Light Detection and Ranging – «обнаружение и определение дальности с помощью света») – это технология измерения расстояний путем излучения света и замера времени возвращения этого отражённого света на приёмник.) устройства.

Дистанционное зондирование земли (далее – ДЗЗ) с применением лидаров на БАС в коммерческой деятельности применяется для съемки как площадных, так и протяженных инфраструктурных объектов, таких как дороги, трубопроводы, линии электропередач и т.д. Результаты ДЗЗ с использованием лидаров применяются в проектировании, инвентаризации объектов картографии, построения 2D и 3D моделей сканированных объектов и участков местности, метеорологии, а также во многих других областях. Так как положение и ориентация лидара, установленного на БАС, непрерывно меняются, такие системы укомплектовываются приемником спутникового позиционирования и инерциальной системой IMU (Inertial Measurement Unit (IMU) – инерциальный измерительный блок, то есть набор чувствительных элементов (гироскопов и акселерометров), фиксирующих и/или компенсирующих инерциальные воздействия.), в реальном времени измеряющими положение и ориентацию носителя/сканера в пространстве. Для повышения точности измерений координат используют базовые навигационные станции, которые дают информацию для вычисления дифференциальных поправок, учитывающих погрешности распространения сигналов спутников. Как правило, совместно со сканирующей лидар системой, на носитель устанавливаются цифровые оптические системы, позволяющие производить аэрофотосъемку одновременно с лазерным сканированием.

Для формирования сканирующего паттерна в современных лидарах развертка может формироваться как механическими методами (с помощью вращающихся зеркал или с помощью движения микроэлектромеханических систем), так и с помощью фазированной антенной решетки.

Большинство современных лидаров используют цилиндрическую развертку. Этот тип развертки наиболее легко формируется, а полученные данные просты для дальнейшей обработки, вместе с тем у него есть недостатки. Например, при использовании цилиндрической развертки, есть вероятность пропустить узкие горизонтальные объекты (такие как шлагбаум, траншеи, расщелины и т.д.). Чаще всего, эта проблема решается применением дополнительного лидара с цилиндрической разверткой, но ориентированного перпендикулярно первому лидару.

Помимо цилиндрической развертки, существуют лидары с разверткой «розетка» (От англ. «Rosette scanning pattern»). Формирование данной развертки происходит сложнее, чем формирование цилиндрической развертки, однако лидары с разверткой «розетка» не испытывают проблем, описанных выше и имеют большую площадь сканирования.

В отличие от радиоволн, эффективно отражающихся только от достаточно крупных металлических объектов, световые волны подвержены рассеянию
в любых средах, в том числе в воздухе, поэтому определять расстояние возможно не только до непрозрачных (отражающих свет) дискретных объектов, но и фиксировать интенсивность рассеивания света в прозрачных средах. Возвращающийся отражённый сигнал проходит через ту же рассеивающую среду, что и луч от источника, подвергается вторичному рассеиванию, поэтому восстановление действительных параметров распределённой оптической среды – достаточно сложная задача, решаемая как аналитическими, так и эвристическими методами.

Дальность действия воздушных лидар-сканеров – от нескольких сотен
до нескольких тысяч метров. Точность фиксации отражений по высоте — 10-15 см, в плане – 1/2000 высоты полета, что обусловлено существенной дивергенцией лазерного луча. Таким образом, при съемке местности с высоты 500 м, плановая точность будет не хуже 25 см. Плотность отражений обычно составляет от единиц до сотен точек на 1 м2 и зависит от частоты генерируемых импульсов и высоты полета.

Исходя из изложенного, можно смоделировать процесс применения БАС с лидаром для определения передвижения объектов наблюдения в «реальном времени».

В состав БАС могут входить:

  • беспилотный летательный аппарат (далее – БПЛА) самолетного типа (с неподвижным крылом) «Альбатрос М5» производства ООО «Альбатрос» (РФ, г. Мытищи): крейсерская скорость 72 км/ч, рабочая высота 80-5000 м, длительность полёта при полезной нагрузке не более 6.5 кг составляет 4,5 часа;
  • лидарная система типа «LS Micro VUX LR» производства ООО «НПК «Фотоника» (РФ, г. Санкт-Петербург) включает в себя: парный цилиндрический лидар сканер «VUX-1LR», 50-мегапиксельную камеру и систему позиционирования высокого уровня «NovAtel» (в составе: IMU и приёмник спутникового позиционирования стандарта GPS). Данная система имеет следующие технические характеристики сканирования: угол сканирования 330o, полоса сканирования 1350х50 м, PPI (PPI –плотность/количество точек на 1 дюйм2) до 6 при условии нахождения на высоте 300 м, на скорости 60 км\ч, вес 5.5. кг.

image001

При движении БАС со скоростью 60 км/ч (скорость уменьшена для улучшения работы лидара), на высоте 300 м лидар будет производить сканирование участка местности протяженностью 1 км2, за 1 минуту, а благодаря функции «Live View» (Передача информации по каналу связи в режиме реального времени ) выводить на наземную станцию управления (далее – НСУ) и наблюдения цифровую модель рельефа и/или ортофотоплан (Рисунок 1).

Далее БАС автоматически ложится на обратный маршрут и производит повторное сканирование заданного участка, в обратном направлении. Передаваемые данные, в автоматическом режиме путем их анализа и обработки простейшей нейросетью визуализируются на мониторах станции наблюдения и управления, сравниваются с предыдущими данными и обозначаются оператору отличия от полученных ранее данных, дополнительно указывая направление и скорость движения объекта (по факту сравнения более трёх снимков).

При реализации программного обеспечения возможно предусмотреть определение типа объекта по заранее разработанным шаблонам с габаритными размерами. За счёт PPI до 6 (в соответствии с тактико-техническими характеристиками лидар-сканера), имеется возможность отличать перемещение отдельно стоящих людей. Стоит отметить, что при уменьшении высоты полёта БАС уменьшается полоса сканирования, но повышается значение PPI.

Вместе с тем применение одного такого БАС по одной траектории не позволяет осуществлять наблюдение в режиме «реального времени», т.к. начальное изображение от точки сканирования протяжённостью 1 км, повторно для сравнения будет получено не ранее чем через 2 минуты, а для сравнения необходимо 3 изображения.

image002

Для разрешения данного противоречия возможно использование группы управляемых БАС, обладающих особенными групповыми свойствами, движущихся по радиальной маршрутной траектории (Рисунок 2).

Четыре и более БАС с такими же характеристиками, движущихся по радиальной маршрутной территории (равная скорость, высота и координаты движения), осуществляют активный обмен информацией друг с другом (координатами, техническим состоянием, скоростью, высотой полета, и т.д.) и на основе создания единого защищенного информационного «облачного» ресурса, смогут покрыть территорию радиусом не менее 2100 м, с частотой обновления кадров приблизительно раз в 24 секунды.

В следствие объединения БАС в единый защищённый информационный «облачный» ресурс, данный комплекс начинает обладать свойствами «роя»; повышается живучесть за счёт реализации принципа «один за всех», а именно перераспределения функций и задач между БАС; в случае выхода из строя одного из «роя» или появления дополнительных БАС, изменения групповых задач или передачи координат для выполнения персонализированных задач БАС (средства объективного контроля) другого рода по заранее отлаженному алгоритму (например координатная проверка определенной точки\объекта или сопровождения цели БАС оснащенной более мощной или спектральной оптической системой и т.д.).

Обработка изображений, поступающих от каждой БАС, производится на НСУ путем объединения/сравнения вновь полученных изображений/точек с предыдущими, путём их верификации и синхронизации, основываясь на координатных данных систем спутникового позиционирования.

Также, можно рассмотреть вариант использования одиночной БАС, в следующем составе:

  • беспилотный летательный аппарат (далее – БПЛА) гексакоптер «T-DRONES M1500» производства Ltd «Jiangxi Cooper» (КНР, провинция Цзянси): крейсерская скорость 10-35 км/ч, рабочая высота 100-1000 м, длительность полёта при полезной нагрузке не более 10 кг составляет не менее 50 минут.
  • лидарная система типа «AlphaAir 2400» производства Ltd «Huace Navigation Technology» (КНР, г. Шанхай) включает в себя: лидар-сканер «розеточного» типа, 42-мегапиксельную камеру и систему позиционирования высокого уровня. Данная система имеет следующие технические характеристики сканирование: угол сканирования 330o, полоса сканирования 1200х1400 м с PPI до 12 при условии нахождения на высоте 120 м, вес 5.5 кг.

Таким образом, одиночная БАС находясь геостационарно на высоте не более 100 м будет покрывать зону сканирования 1200х1400 м и выводить на наземные станции управления и наблюдения цифровую модель рельефа и/или часть его изображения (Рисунок 3).

image003

Несмотря на рациональность использования данного способа по причине использования одного БАС при достаточно большой зоне покрытия, данный способ имеет  и ряд недостатков. При использовании одной геостационарной БАС необходимо использовать лидар-сканер в разы превышающие стоимость лидаров устанавливаемых на БАС в первом варианте, изображение с оптической системы не будет иметь достаточной детализации и не покроет всю зону сканирования, а нахождение геостационарной БАС на высоте 100 м без движения делают его легкой целью для поражения из огнестрельного оружия или воздействия на него средствами радиоэлектронной борьбы, и разумеется БПЛА коптерного типа значительно уступают БПЛА самолётного типа, по длительности нахождения в воздухе без подзарядки.

При достаточных вычислительных мощностях на станциях обработки и приёма данных возможно создание цифровых моделей DOM, DEM, DSM и/или DTM (Цифровые модели поверхности представляющие собой: трехмерное отображение высот поверхности Земли, включая расположенные на ней природные или антропогенные объекты с нанесёнными ортофотопланами ), которые могут быть дополнительно обработаны для построения точных 3D-моделей с передачей данных на устройства трехмерной компьютерной среды (VR), или на FPV (FPV (First Person View) – управление полетом или иным навесным оборудованием БАС от «первого лица».) средства вывода изображения оператора объективного контроля для полного погружения оператора БАС или наблюдения за оперативной обстановкой в зоне работы группы, управляемых БАС.

Необходимо отметить и дополнительные возможности лидар сканеров, устанавливаемых на БПЛА:

  1. Так как в состав БАС обязательно входят системы позиционирования, имеется возможность передачи точных географических координат для ведения и корректировки огня различными средствами поражения в зоне работы группы, управляемых БАС.
  2. За счёт возможности фиксации нескольких откликов от каждого импульса имеется возможность получить лазерные отражения от поверхности земли, скрытой растительностью — т.е. восстанавливать рельеф местности там, где это невозможно сделать с помощью традиционной аэрофотосъемки, что возможно при достаточной плотности точек на один м2 позволит обнаруживать объекты, замаскированные естественным растительным покровом или иными способами маскирования не сплошного покрытия.
  3. Вместо установки лидара на земле, где принимаемый отражённый свет будет зашумлён из-за рассеяния в загрязнённых, нижних слоях атмосферы, можно поднять лидар над поверхностью земли на достаточную высоту, что существенно улучшит соотношение сигнал-шум и его эффективный радиус действия для анализа и получения точных данных по текущей и прогнозируемой метеорологической обстановки.
  4. В связи с тем, что разные газы/аэрозоли поглощают оптическое излучение разной длины волны по-разному, возможно применение DIAL (DIAL LiDAR – лидар с дифференциальным поглощением.) лидаров позволяющих отличить типы и количество имеющихся/распыленных газов и/или отравляющих веществ.
  5. По причине того, что «Красные волны» (635-770 нм) почти полностью отражаются от поверхности воды, возможно использование «зелёных волн» (520-565 нм) которые частично проникают в воду (примерно 40-60%), рассеиваются в ней, и отражаются от морского дна, что позволяет использовать БПЛА с «морским» лидаром для построения цифровых моделей дна. Однако данные способы построения рельефа дна значительно уступают судам, оборудованным эхолотами и сонарами, хотя и более просты для доставки в конкретную зону работы.

Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод, что применение лидар-сканеров на БПЛА позволяет создать БАС двойного назначения:

  • тактического – для наблюдения за передвижением объектов наблюдения и/или выявления скрытых фортификационных сооружений (по своей сути новый тип радарных систем), радиохимической обстановки;
  • мирного – для съемки зданий и сооружений, картографических и метеорологических мероприятий и т.д.

Список литературы

  1. Муратов Е.Р. Сенсоры технического зрения: учебное пособие / Е.Р. Муратов, С.А. Юкин, А.И. Ефимов, М.Б. Никифоров – Москва: Изд. «горячая линия – Телеком», 2018 – 73 с.
  2. Агишев Р.Р. Лазерное зондирование окружающей среды: методы
    и средства: учебное пособие / Р.Р. Агишев – Москва: Изд. «ФИЗМАТЛИТ», 2019 – 264 с.
  3. Привалов В.Е. Лазеры и экологический мониторинг атмосферы: учебное пособие / В.Е. Привалов, А.Э. Фотиади, В.Г. Шеманин – СПб.: Изд. «Лань», 2013 – 288 с.
  4. Абросимов В.К. Коллективы интеллектуальных летательных
    аппаратов: монография / В.К. Абросимов – Москва: Изд. «Наука», 2017 – 304 с.
  5. Георгиев Н.И., Нойберт Р., Татевян С.К., Хайретдинов К.А. Лазерные спутниковые дальномеры: журнал «Наука и человечество» / Н.И. Георгиев – Москва: Изд. «Знание», 1989. 314-327 с.

Интересная статья? Поделись ей с другими: