بخشی از مقاله
چکیده
توسعه پرندههای بدون سرنشین در دو دهه اخیر پیشرفت فوقالعادهای داشته است و دلیل این امر مزیتهای بسیار این پرندهها نسبت به پرندههای سرنشین دار است. از مسائل مهم در مورد پرندههای بدون سرنشین موضوع ناوبری آنها میباشد. در میان سیستمهای ناوبری متنوع موجود برای پرندههای بدون سرنشین، ترکیب سیستمهای GPS و INS بیشترین کاربرد را در میان این سیستمها دارند.
اما به دالیلی مانند طوفانهای خورشیدی، میدانهای مغناطیسی شدید، عوامل منعکسکننده سیگنال، سازههای مرتفع، جنگ الکترونیک و ... ممکن است این ترکیب از سیستمها با مشکل روبهرو شود. به همین دلیل پرندههای بدون سرنشین نیاز به یک سیستم ناوبری کمکی دارند تا با ازکارافتادن سیستم GPS و INS پرنده دچار مشکل نشود. بر اساس تحقیقات انجامشده سیستمهای ناوبری مبتنی بر تصویر میتوانند بهترین سیستم ناوبری کمکی در کنار GPS و INS باشند و دلیل آن استفاده از سنجندههای سبک و ارزانقیمت در این روش از ناوبری میباشد.
در این پژوهش یک سیستم ناوبری مبتنی بر تصویر جهت تعیین موقعیت پرنده بدون سرنشین در مناطقی که عوارض متحرک مانند کشتیها و خودروها وجود دارند، بدون استفاده از سیستمهای GPS و INS توسعه یافته است و از آن جهت تعیین موقعیت پرنده بدون سرنشین با استفاده از تصاویر اخذشده در بندر بوشهر استفادهشده است. موقعیت بهدستآمده از این سیستم با موقعیت بهدستآمده با استفاده از GPS مقایسه شده و نتایج مطلوبی را ارائه داده است.
-1 مقدمه
منظور از پرنده بدون سرنشین یا پهپاد، پرندهای است که با استفاده از یک ریموت کنترل توسط اپراتور - - UAV1 و یا بهطور ً 2 کامال خودکار و بدون دخالت اپراتور - - UAS هدایت میشود. تفاوت UAV و UAS در میزان اتوماتیک بودن آنها است. از پرندههای بدون سرنشینی که با استفاده از کنترل از راه دور توسط فرد هدایت میشوند و دارای برد عملیاتی کمتری هستند بهعنوان UAV و از پرندههای بدون سرنشینی که فرایند پرواز و هدایت آنها بهطور خودکار بوده و نیاز به اپراتور انسانی جهت هدایت ندارند بهعنوان UAS نامبرده میشود.]1[
توسعه پرندههای بدون سرنشین در دو دهه اخیر پیشرفت فوقالعادهای داشته است و دلیل این امر مزیتهای بسیار این پرندهها نسبت به پرندههای سرنشین دار و روباتهای اتوماتیک زمینی است. ازجمله مزیتهای پرندههای بدون سرنشین نسبت به پرندههای سرنشین دار سرعتباال در عملیاتی شدن، هزینه کمتر برای تهیه و ریسک پایینتر در انجام عملیات خطرناک - مانند عملیات نظامی - است.]2[
همچنین مزیت این روباتهای پرنده نسبت به روباتهای زمینی دید وسیع و ناوبری راحتتر آنها به دلیل وجود موانع کمتر در هنگام پرواز در مقایسه با حرکت بر روی زمین است. کاربرد ابتدایی پرندههای بدون سرنشین در صنایع نظامی بود، اما باگذشت زمان کاربردهایی در مناطق شهری نیز پیدا کردند. ازجمله این کاربردها میتوان به مدیریت بحران، استفاده در پروژههای عمرانی، کشاورزی و مدیریت منابع طبیعی اشاره کرد3[، 4، 5 و .]6 از نگرانیهای اصلی که مانع استفاده از پرندههای بدون سرنشین میشود مسئله ایمنی در مناطق پرجمعیت است. هنوز هیچ تضمینی در سطح قابلقبول برای ایمنی پرواز پرندههای بدون سرنشین در مناطق پرجمعیت ارائه نشده است.
مواقع خاص مانند درگیریهای نظامی - . یکی از روشهای مرسوم برای حل این مشکل استفاده از تلفیق سیستمهای تعیین موقعیت جهانی - 3 - و سیستم ناوبری اینرشیال - 4 - است.]7[ اما تلفیق این سیستمها در همه شرایط و SPG INS مکانها پاسخگو نیست. عواملی مانند طوفانهای خورشیدی، میدانهای مغناطیسی شدید، عوامل منعکسکننده سیگنال، سازههای مرتفع، وجود نویز، جنگ الکترونیک و خرابی گیرندههای GPS در اثر نوسانات الکتریکی باعث ازکارافتادن و یا انحراف سیستم GPS میشوند.]8[
پس از قطع سیگنالهای GPS و یا انحراف آن موقعیت مطلق پرنده ازدسترفته و درنتیجه سیستم INS نیز به دلیل خطای دریفت تجمعی و باال در تعیین موقعیت پرنده بهسرعت کارایی خود را از دست میدهد و دقت تعیین موقعیت مطلق و یا نسبی بهوسیله INS بسیار کاهش خواهد یافت10]،9 و [11 بنابراین نیاز است سیستمهای دیگری در کنار سیستم GPS قرار داشته باشند تا در صورت مختل شدن GPS به هر دلیلی بتوان از آنها استفاده کرد. ازجمله این سیستمها، سیستم ناوبری مبتنی بر تصویر است که میتواند هنگام قطع سیگنالهای GPS پرنده را بهصورت آنی هدایت کند.
دلیل استفاده از سیستمهای ناوبری تصویرمبنا مزایایی ازجمله سبک، ارزان و کممصرف بودن هستند که این مزیتها باعث شده این نوع از سیستمهای ناوبری برای پرندههای بدون سرنشین که اغلب توان حمل وزن باال و تأمین انرژی زیادی را ندارند مورداستفاده قرار گیرد. مزیتهای ذکرشده سیستمهای ناوبری مبتنی بر تصویر باعث شده تحقیقات گستردهای در مورد روشهای تعیین موقعیت و ناوبری مبتنی بر تصویر انجام شود12[، 13، 14، 15 و .]16 یکی از روشهای استفاده شده برای ناوبری تصویر مبنای پرندههای بدون سرنشین تناظریابی میان تصاویر اخذ شده توسط این پرنده و تصاویر ژئورفرنس موجود از منطقه است.
مشکلی که در این روش مطرح است، وجود عوارض متحرک موجود بر روی زمین است که باعث ایجاد خطا در فرایند تناظریابی میشوند. هدف از این پژوهش تعیین موقعیت پرنده بدون سرنشین با استفاده از الگوریتم تناظریابی SIFT5 در مکانهایی که عوارض متحرک موجود میباشند است. در این راستا در بخش دوم ابتدا دادههای مورد استفاده در پژوهش معرفی خواهند شد، سپس در بخش سوم الگوریتم طراحیشده، بر روی تصاویر اجرا شده است و در ادامه نتایج بهدستآمده برای موقعیت پرنده بدون سرنشین با استفاده از اعمال الگوریتم طراحیشده و GPS با هم مقایسه شدهاند. در بخش آخر نیز به نتایج و چالشهای پیش رو پرداختهشده و پیشنهادی برای کارهای آینده ارائهشده است.
-2 دادههای مورد استفاده در پژوهش
در این پژوهش از تصاویر اخذشده توسط پرنده بدون سرنشین از بندر بوشهر استفادهشده است. با توجه به اینکه هدف پیدا کردن موقعیت پرنده در بندر بوشهر میباشد ارتوموزائیک ژئورفرنس بندر بوشهر نیز مورد استفاده قرارگرفته است. ارتوموزائیک ژئورفرنس بندر بوشهر در شکل - 1 - و تصاویر اخذشده توسط پرنده بدون سرنشین در شکل - - 2 آورده شدهاند. همچنین برای ارزیابی نتایج تعیین موقعیت پرنده بدون سرنشین توسط سیستم توسعه دادهشده، موقعیت مکانی پرنده در لحظه اخذ هر تصویر توسط GPS تعیینشده و مورد استفاده قرار خواهد گرفت.
-3 تعیین موقعیت بهوسیله الگوریتم توسعه دادهشده
در ابتدا جهت تعیین موقعیت پرنده بدون سرنشین، نقاط کلیدی موجود در ارتوموزائیک ژئورفرنس موجود از منطقه توسط الگوریتم SIFT استخراجشده است. سپس بردارهای توصیفگر این نقاط به همراه موقعیت مکانی آنها که به دلیل ژئورفرنس بودن ارتوموزائیک موجود بهدستآمده است ذخیره میشوند. هنگامیکه اتصال پرنده بدون سرنشین با GPS دچار اختالل میشود، یک تصویر توسط پرنده اخذ میشود.
نقاط کلیدی تصویر اخذشده توسط پرنده بدون سرنشین بهوسیله الگوریتم SIFT استخراجشده و عملیات تناظر یابی میان این نقاط و نقاط کلیدی موجود در ارتوموزائیک منطقه انجام میشود. نقاط تناظریابی شده از تصویر اخذشده توسط پرنده بدون سرنشین، با استفاده از موقعیت مکانی نقاط متناظرشان در ارتوفتوی ژئورفرنس شده منطقه، تعیین موقعیت میشوند و بهاینترتیب موقعیت پرنده بدون سرنشین بدون نیاز به GPS با استفاده از ترفیع فضایی تعیین میشود. در شکل - 3 - و - - 4 نتایج تناظریابی برای 2 تصویر اخذشده توسط پرنده بدون سرنشین مشخصشده است.
