Система навигации по снимкам: первые соображения

E.Mach
Сообщений: 20
Зарегистрирован: 25 ноя 2015, 21:17

Система навигации по снимкам: первые соображения

Сообщение E.Mach » 26 ноя 2015, 23:02

Цель работы:
Определить значения положения и ориентации КА на основе изображений, полученных с главной(?) и дополнительных фотокамер. Определить значения линейных и угловых скоростей и ускорений на основе серии изображений.

Исходные данные:
  • Картографическая база данных (КБД)
  • Данные фотокамер
  • Предполагаемая траектория полета и текущее время
  • Данные гироскопов (дополнительно)
  • Данные предыдущих итерация (дополнительно)

Текущий ход работы:
gionov, придерживаясь условия, что текущее положение аппарата известно с точностью перекрытия ожидаемого изображения и снимка, а также известной ориентации, предложил решить задачу поиска совмещающего сдвига и поворота между этими изображениями. Для решения задачи он предложил итерационный алгоритм. Начиная работу с ужатого кадра 16х16 мы ищем оптимальное смещение, после чего переходим к кадру 32x32 и т.д. Подробнее...
lead_seller предложил вынести подсчет метрики в аппаратный ускоритель на ПЛИС и планирует протестировать этот алгоритм на аппаратуре.
E.Mach готовит входные данные для алгоритма на основе GLD100.

Материалы
Вводные:
Наиболее полная топографическая карта была получена в результате работы аппаратов LRO и LCROSS. Их данные должны стать основой для КБД.

Раздел LCROSS у NASA
Раздел LRO у NASA
Публикации по LRO

Данные LRO:
База данных фото от LRO
Просмотр базы данных
Удобный инструмент для просмотра фотографий миссии, сшитых в одну карту. Слева выдвижная панель, которая позволяет добавлять слои. С помощью LROC featured images можно получить доступ к исходным изображениям (LROC - главная оптическая камера LRO).
Фотографии целевых точек от LRO

Цифровые карты местности луны:
Трехмерная модель по данным LRO от немецкого аэрокосмического центра (DLR)
На видео можно подробно рассмотреть рельеф вокруг точек высадки Аполлонов (наши целевые точки)
Матрица высот этой модели (доступны различные разрешения)
Публикации об этой модели: один, два

Программы и алгоритмы:
Набор матлаб скриптов для 3D-визуализации
Инструмент для определения звезд и созвездий на фотографиях по каталогам

Соображения по оформлению этого сообщения принимаются в ЛС
Последний раз редактировалось E.Mach 30 ноя 2015, 13:00, всего редактировалось 6 раз.

Аватар пользователя
dmitriy.kabanchuk
Сообщений: 42
Зарегистрирован: 25 ноя 2015, 19:23

Re: Система навигации по снимкам: первые соображения

Сообщение dmitriy.kabanchuk » 26 ноя 2015, 23:20

По моему надо два режима определения координат, по горизонту (определение высоты, примерного положения, скорость), когда аппарат на низких высотах и реалтайм определение позиции даже на нейронных цепях будет жутко не успевать. Тут нужно думать. Но тут я точно полный профан :) Поделился единственым умозаключением на данную тему.

gionov
Сообщений: 272
Зарегистрирован: 23 окт 2015, 21:15
Откуда: г. Снежинск, Челябинская обасть
Контактная информация:

Re: Система навигации по снимкам: первые соображения

Сообщение gionov » 26 ноя 2015, 23:25

Надо исходить из того, что текущее положение аппарата известно с точностью перекрытия ожидаемого изображения и снимка. Также известна ориентация. Остаётся лишь найти совмещающий сдвиг и учесть его как поправку при расчёте траектории.
Также, как я неоднократно уже писал, нужно установить пять широкоугольных микрокамер от сотового телефона, четыре из которых бы снимали горизонт, а пятая смотрела вниз.
Анализируя анизотропию резкости снимка с телескопа можно найти поправку к скорости XY-stage, который двигает ПЗС матрицу и привести смазывание к нулю, что даст возможность точно определять текущую высоту.
Последний раз редактировалось gionov 26 ноя 2015, 23:29, всего редактировалось 1 раз.

gionov
Сообщений: 272
Зарегистрирован: 23 окт 2015, 21:15
Откуда: г. Снежинск, Челябинская обасть
Контактная информация:

Re: Система навигации по снимкам: первые соображения

Сообщение gionov » 26 ноя 2015, 23:28

dmitriy.kabanchuk писал(а):По моему надо два режима определения координат, по горизонту (определение высоты, примерного положения, скорость), когда аппарат на низких высотах и реалтайм определение позиции даже на нейронных цепях будет жутко не успевать. Тут нужно думать. Но тут я точно полный профан :) Поделился единственым умозаключением на данную тему.

Определение сдвига можно сделать достаточно быстрым если сначала сильно уменьшить кадр до размера порядка 64x64 пикселя. Нейросети тут не нужны. Основная проблема - в хранении столь подробной карты. Разрешение карты должно быть примерно 200 метров на пиксель, чтобы с высоты 10 км уверенно распознавать ландшафт. Это значит, что объём серой карты 4*pi*1737.1*1737.1/(0.2*0.2)=1 гигабайт. Ну, в принципе нормально. И надо иметь в виду, что целевые снимки через телескоп не могут быть использованы для сравнения с картой, поскольку там размер всего кадра примерно равен одному пикселю карты. Снимки через телескоп могут служить лишь для определения текущей высоты. Для навигации должны быть установлены отдельные широкоугольные камеры.
Последний раз редактировалось gionov 26 ноя 2015, 23:52, всего редактировалось 1 раз.

gionov
Сообщений: 272
Зарегистрирован: 23 окт 2015, 21:15
Откуда: г. Снежинск, Челябинская обасть
Контактная информация:

Re: Система навигации по снимкам: первые соображения

Сообщение gionov » 26 ноя 2015, 23:41

И для тестирования программы навигации тут бы был просто бесценен симулятор НАШЕГО виртуального спутника со всеми гиродинами, гироскопами, камерами, двигателями, солнечными батареями и виртуальным бортовым компьютером. GMAT тут не поможет...

cynepkot
Сообщений: 24
Зарегистрирован: 25 ноя 2015, 12:31

Re: Система навигации по снимкам: первые соображения

Сообщение cynepkot » 26 ноя 2015, 23:52

Привет, а какие рабочие скорости и высоты будут фигурировать в ТЗ? Минимальная высота 10 км? Я, в принципе, до какой-то степени разбираюсь в navigation/localization: SLAM там всякий, комп. граф., анализ изображений и т.п. Могу попробовать помочь в этой области.

Оценка положения с какой точностью и с какой частотой опроса? Где дальше будет использоваться информация этой подсистемы?

gionov
Сообщений: 272
Зарегистрирован: 23 окт 2015, 21:15
Откуда: г. Снежинск, Челябинская обасть
Контактная информация:

Re: Система навигации по снимкам: первые соображения

Сообщение gionov » 27 ноя 2015, 06:51

Скорость 1.67 км/с, высота съёмки 10 км. Совмещение снимка с точностью до пары пикселей на карте, то есть около 500 м. Частота опроса навигационных камер можно около минуты на снимок на солнечной стороне.

Аватар пользователя
Ejj
Сообщений: 290
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 21:01

Re: Система навигации по снимкам: первые соображения

Сообщение Ejj » 27 ноя 2015, 07:40

Только не 500 м, а 50.

cynepkot
Сообщений: 24
Зарегистрирован: 25 ноя 2015, 12:31

Re: Система навигации по снимкам: первые соображения

Сообщение cynepkot » 27 ноя 2015, 11:53

А влияние на аппаратную часть комплекса «программисты» имеют? Например, я написал какой-нибудь хороший алгоритм, но на CUDA. Будет возможность подать предложение поставить что-нибудь в духе http://www.nvidia.ru/object/jetson-embe ... ms-ru.html?

Аватар пользователя
Ejj
Сообщений: 290
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 21:01

Re: Система навигации по снимкам: первые соображения

Сообщение Ejj » 27 ноя 2015, 13:58

E.Mach писал(а):С разрешения Антон Громов начинаю работу над системой навигации по снимкам.
...
Пока занимаюсь формулировкой задачи в общем виде.

Желательно свести количество систем на борту КА к минимуму. Соответственно, желательно, чтобы одна система могла выполнять функцию системы ориентации и системы навигации при перелете Земля-Луна, системы навигации и ориентации при полете на орбите у Луны, системы навигации и наведения основной фотокамеры при полете на целевой орбите.
В то же время, потребные характеристики систем для выполнения этих функций скорее всего будут достаточно различны.

Аватар пользователя
maxrez
Сообщений: 151
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 16:31

Re: Система навигации по снимкам: первые соображения

Сообщение maxrez » 27 ноя 2015, 14:03

Ejj писал(а):
E.Mach писал(а):С разрешения Антон Громов начинаю работу над системой навигации по снимкам.
...
Пока занимаюсь формулировкой задачи в общем виде.

Желательно свести количество систем на борту КА к минимуму. Соответственно, желательно, чтобы одна система могла выполнять функцию системы ориентации и системы навигации при перелете Земля-Луна, системы навигации и ориентации при полете на орбите у Луны, системы навигации и наведения основной фотокамеры при полете на целевой орбите.
В то же время, потребные характеристики систем для выполнения этих функций скорее всего будут достаточно различны.

что-то не представляю как это можно сделать.

E.Mach
Сообщений: 20
Зарегистрирован: 25 ноя 2015, 21:17

Re: Система навигации по снимкам: первые соображения

Сообщение E.Mach » 27 ноя 2015, 18:53

cynepkot писал(а):А влияние на аппаратную часть комплекса «программисты» имеют?

Определенное влияние мы оказывать можем, но сила этого влияния весьма ограничена. Хотелось, чтобы на форуме были смежники: модераторы, координаторы, поверхностно знакомые с проблемами как ПО, так и аппаратуры, способные вести диалог и сводить его к консенсусу. Ну а пока придется отрывать свои задницы от стульев, ходить в соседние темы, знакомиться с проблемами оптиков, электронщиков и стараться учитывать их интересы.

E.Mach
Сообщений: 20
Зарегистрирован: 25 ноя 2015, 21:17

Re: Система навигации по снимкам: первые соображения

Сообщение E.Mach » 27 ноя 2015, 18:59

Подробнее займусь вопросом в выходные, вот пока вам для затравки:
1.1 Вижу, все прицепились к 10 км. Пока мы решаем задачу в общем виде, поэтому никаких ограничений не вводим. Прикладываю пример (celestia) допустимого в рамках задачи фото: навигация должна осуществляться не только по изображению луны, но также звезд, солнца и Земли (если таковые попадут в кадр). Размышляйте шире – КА может быть развернут в противоположную от луны сторону, даже в этом случае наша система (как резервная навигационная) должна вырабатывать решение.
sampleFoto.png
sampleFoto.png (196.17 KiB) 4130 просмотра

1.2 Необходимая, но отдельная часть работы – генератор данных. На вход принимает полные координаты КА, характеристики оптической системы. На выходе должен сгенерировать фотографию лунной поверхности, солнца, Земли, звезд – всех объектов, которые должны попасть в кадр с ракурса КА. Ключевой момент – точный расчет теней на лунной поверхности, особенно заметных в сумеречной области. Не исключено, что понадобится формировать изображение в инфракрасном диапазоне. Генератор будет использован для прогона системы по предполагаемому маршруту.
1.3 Генератор дополняет симулятор, но пересекается с ним лишь частично. Тем не менее, разработку единой системы считаю необходимой. Это позволит более полно моделировать поведение КА в комплексе на заключительных этапах, моделировать различные сбои и т.п.
1.4 Анализ изображений – основа нашей системы. Однако мы имеем возможность расширить ее дополнительной информацией от навигационной аппаратуры.
1.5 Рассмотреть, как меняется задача, если мы получаем информацию не только в видимом, но и в инфракрасном, МКВ, гамма диапазоне и т.п.
1.6 Рассмотреть, как меняется задача, если расстояние до поверхности нам известно (например, применение лазерного дальномера)
1.7 В предельном случае мы имеем только одну фотографию, в прочих случаях количество входных данных увеличивается. Система должна работать при любых входных данных, разница должна заключаться только в скорости и точности определения.
1.8 Одна из подзадач – пеленгация солнца и других ключевых звезд. Ориентирование по звездам может оказаться более простой задачей, чем использование лунной поверхности. Но звезды могут помочь лишь в определении угловых скоростей КА, линейные скорости и координаты нужно определять по изображению поверхности.
1.9 Задача несет не мгновенный, а накопительный характер: на каждом этапе применяются результаты предыдущих этапов. Перед каждым запуском нам уже известно облако (большее или меньшее) допустимых точек, в которых может находится КА. Мы постараемся не ставить все на одну карту, алгоритм должен состоять из нескольких этапов, каждый следующий из которых уточняет результаты предыдущего.

E.Mach
Сообщений: 20
Зарегистрирован: 25 ноя 2015, 21:17

Re: Система навигации по снимкам: первые соображения

Сообщение E.Mach » 27 ноя 2015, 19:04

Сейчас этап поиска и анализа материалов. Тащите все, что найдете:
- Примеры существующих решений;
- Публикации по этой и смежным темам;
- Фотографии лунной поверхности, топографические карты, модели. Вообще, кто-то должен обобщить все данные по Луне и сложить их в одно место, не только для этой задачи, но и для всего проекта в целом.

Аватар пользователя
dmitriy.kabanchuk
Сообщений: 42
Зарегистрирован: 25 ноя 2015, 19:23

Re: Система навигации по снимкам: первые соображения

Сообщение dmitriy.kabanchuk » 27 ноя 2015, 19:11

Я бы свёл всё сравнение по самым заметным и различимым кратерам. Привязываясь к которым, определять по закрываемым горизонтом звёздам, и ориентируясь на солнце по возможности и на землю. Для этого нужно 3 звёздных датчика. 3 смотрят в разные стороны что бы видеть максимально много что бы определять положение. Камера для навигации по поверхности, разрешением 0.3-1.3 мегапикселя. Ориентироваться нужно на мощности первого пентиума. Так мне кажется. ИК диапазон, лишняя марока, если только в качестве научного оборудования не будет стоять такая камера. Но при этом камеры смотрящие на поверхность и используемые для навигации должны иметь максимально большой обзор по пути следования аппарата. Я не претендую на самого умного, но мои идеи могут чего умного навеять :)

E.Mach
Сообщений: 20
Зарегистрирован: 25 ноя 2015, 21:17

Re: Система навигации по снимкам: первые соображения

Сообщение E.Mach » 27 ноя 2015, 19:18

Это мы еще посмотрим как эти кратеры выглядят при различных углах освещения. У меня есть подозрение, что из-за теней они станут неразличимы.
В железе не специалист, но первый пентиум жрет как утюг, думаю будет использоваться что-то вроде атома. Да и камеры можно из телефона выковырять, зачем брать плохие? В оптике тоже не специалист, да.

Аватар пользователя
dmitriy.kabanchuk
Сообщений: 42
Зарегистрирован: 25 ноя 2015, 19:23

Re: Система навигации по снимкам: первые соображения

Сообщение dmitriy.kabanchuk » 27 ноя 2015, 19:46

E.Mach писал(а):Это мы еще посмотрим как эти кратеры выглядят при различных углах освещения. У меня есть подозрение, что из-за теней они станут неразличимы.
В железе не специалист, но первый пентиум жрет как утюг, думаю будет использоваться что-то вроде атома. Да и камеры можно из телефона выковырять, зачем брать плохие? В оптике тоже не специалист, да.


Я про частоту процессора. По идее, про бортовое оборудование пока ничего не известно толком. лучше на минимальные параметры ориентироваться.

gionov
Сообщений: 272
Зарегистрирован: 23 окт 2015, 21:15
Откуда: г. Снежинск, Челябинская обасть
Контактная информация:

Re: Система навигации по снимкам: первые соображения

Сообщение gionov » 27 ноя 2015, 19:55

Ejj писал(а):Только не 500 м, а 50.

50 метров на пару пикселей потребуют для хранения карты 60 гигабайт

gionov
Сообщений: 272
Зарегистрирован: 23 окт 2015, 21:15
Откуда: г. Снежинск, Челябинская обасть
Контактная информация:

Re: Система навигации по снимкам: первые соображения

Сообщение gionov » 27 ноя 2015, 20:14

E.Mach писал(а):Вижу, все прицепились к 10 км. Пока мы решаем задачу в общем виде, поэтому никаких ограничений не вводим.

Всё же надо исходить из нашей конкретной программы, а не строить общую навигационную модель на все случаи жизни.
На подлёте к Луне навигация по звёздам и лунному горизонту довольно тривиальная задача. Основная задача, которую нужно решить - уточнение фазовых координат во время эволюции низкой орбиты и здесь может помочь только проносящаяся на небольшой высоте поверхность. 10 км - это наиболее сложная задача, поэтому надо ориентироваться на неё. Решим задачу для этой высоты - метод спокойно будет работать для большей высоты, но не наоборот.

E.Mach
Сообщений: 20
Зарегистрирован: 25 ноя 2015, 21:17

Re: Система навигации по снимкам: первые соображения

Сообщение E.Mach » 27 ноя 2015, 20:36

gionov писал(а):10 км - это наиболее сложная задача, поэтому надо ориентироваться на неё. Решим задачу для этой высоты - метод спокойно будет работать для большей высоты, но не наоборот.


Согласен, но я пока пытаюсь убедиться что задача так легко масштабируется. Нужно некоторое время на осмысление.


Вернуться в «Обоснование выбора целевой аппаратуры»

Кто сейчас на форуме

Количество пользователей, которые сейчас просматривают этот форум: нет зарегистрированных пользователей и 1 гость