Оптическая навигация: взгляд в прошлое и шаг в будущее

Переоценить значение навигационных систем в современном мире довольно сложно. От их корректной работы зависит не только возможность, например, самолёта добраться из точки «А» в точку «Б», но и напрямую безопасность полёта. Известны случаи, когда при неправильной настройке инерционной системы навигации (ИНС) самолёты терпели крушение. Поэтому дублирование основных навигационных систем приборами, построенными на других принципах, очень важно.

 

 

Новое — хорошо забытое старое

 

Одним из важных параметров, определяющих эксплуатационные возможности навигационной системы, является её автономность. Именно поэтому ИНС получили широкое распространение в современном мире — в условиях постоянно совершенствующихся средств радиоэлектронной борьбы, при неблагоприятных метеорологических условиях и прочих критических факторах навигационная система, зависимая от внешних источников информации, может потерять свою функциональность. 

Но у инерциальных систем есть один существенный недостаток: они чувствительны к первоначальной калибровке и требуют регулярной настройки, которая осуществляется за счёт информации из внешних источников: например, при работе в сопряжении со спутниковой навигационной системой.

Оптическая навигация решает задачу обеспечения ИНС внешними данными в условиях, когда спутниковый сигнал по тем или иным причинам недоступен.

В сфере навигации развитие технологий пошло по очень ироничному пути: ведь первые лётчики определяли своё местоположение как раз визуально — по наземным ориентирам. Конечно, сейчас на помощь глазам пришли современные устройства: локаторы, видеокамеры и другие.

Интерес к оптическим навигационным системам возрос в начале XXI века, когда стали активно развиваться беспилотные технологии и системы машинного зрения. Поэтому использование для навигации и так имеющейся на борту системы стало делом времени.

 

 

Два типа оптических навигационных систем и их недостатки

 

В настоящее время оптические навигационные системы делятся на два типа:

• корреляционно-экстремальные (КЭСН);
• системы одновременной локации и построения карты (SLAM-системы).

 Корреляционно-экстремальная навигация основана на сравнении изображения с камеры с заранее загруженным эталонным. Определение местоположения аппарата вычисляется по величине рассогласования между ними. Недостатки этого способа довольно очевидны: 

• Снимки местности необходимо получить заранее.
• Снимки местности необходимо поддерживать в актуальном состоянии.
• Необходимо хранить большой объём данных и обеспечивать быстрый и бесперебойный к ним доступ.

SLAM-системы (simultaneous location and mapping) используют несколько иной принцип. В этом случае положение объекта определяется с помощью построения карты местности по изображению с видеокамеры в реальном времени.

Анализ работы двух наиболее передовых SLAM-алгоритмов показал, что они способны дать адекватные результаты только в условиях построения карты с глубоким рельефом, если же местность плоская, то карта будет неточной.

 

 

Есть ли перспективы у оптической навигации?

 

Оптический способ навигации — очевидный и самый простой путь решения задачи определения местоположения беспилотного аппарата, оснащённого системой компьютерного зрения. В этом плане КЭСН-системы видятся не самым подходящим решением, поскольку потребуют либо размещение носителя информации на самом аппарате, либо внешней загрузки данных. С целью повышения автономности аппарата и снижения его массо-габаритных характеристик целесообразнее использовать SLAM-системы. 

Сложность работы SLAM-систем с плоскими рельефами решается сопряжением оптической навигации с инерционной и спутниковой. Показания ИНС позволят гибко устанавливать опорные точки, а данные со спутника — компенсировать постепенно накапливающуюся погрешность.

Большим достоинством оптических навигационных систем является возможность строить карту местности в реальном времени, что позволяет беспилотному аппарату оперативно реагировать на изменение окружающей обстановки. Поэтому они являются важным элементом конструкции. А имеющиеся недостатки компенсируются инерциальной и спутниковой навигацией.

Таким образом, в современных реалиях навигационные системы различных типов тесно взаимосвязаны. Каждая из них лучше справляется с определённым кругом задач, и только при совместной работе они обеспечивают решение всего комплекса проблем: определение положения относительно поверхности земли, вычисление локальных координат, получение информации об изменении окружающей обстановки. Оптимальное функционирование оснащённой машинным зрением техники возможно только в случае оснащения её всеми тремя типами систем: спутниковой, инерционной и оптической.

Однако этот фактор слабо влияет на ухудшение массо-габаритных характеристик, поскольку в большинстве случаев беспилотная техника и так оснащается видеооборудованием, а текущее развитие технологий сделало ИНС и спутниковые датчики компактными и нетребовательными к энергопотреблению. 

Оценить возможности и габариты спутниковых и инерционных навигационных устройств вы можете по примерам из нашего каталога:

• инерциальные навигационные системы на базе МЭМС-технологии;
• интегрированные навигационные системы (+спутниковая навигация).