Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2018, № 5

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Тульский государственный университет» 
 

 
 
 
16+ 
ISSN 2071-6168 
 
 
 
 
 
 
 
ИЗВЕСТИЯ  
ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 
 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 
 
 
Выпуск 5 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Тула 
Издательство ТулГУ 
2018 

РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ:                                                                                                     ISSN 2071-6168 

Председатель  
Грязев М.В., д-р техн. наук, проф., ректор Тульского государственного университета. 
Заместитель председателя  
Кухарь В.Д., д-р техн. наук, проф., проректор по научной работе. 
Ответственный секретарь  
Ивутин А.Н., канд. техн. наук, доц., начальник Управления научно-исследовательских работ. 
Главный редактор сборника «Известия Тульского государственного университета»  
Прейс В.В., д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой. 

Члены редакционного совета: 
Батанина И.А., д-р полит. наук, проф., – 
отв. редактор серии «Гуманитарные науки»; 
Берестнев М.А., канд. юрид. наук, доц., – 
отв. редактор серии «Экономические и юридические 
науки». Часть 2. «Юридические науки»; 
Борискин О.И., д-р техн. наук, проф., – 
отв. редактор серии «Технические науки»; 
Егоров В.Н., канд. пед. наук, доц., – отв. редактор 
серии «Физическая культура. Спорт»; 

Заславская О.В., д-р пед. наук, проф., – 
отв. редактор серии «Педагогика»; 
Качурин Н.М., д-р техн. наук, проф., – 
отв. редактор серии «Науки о Земле»; 
Понаморева О.Н., д-р хим. наук, доц., – 
отв. редактор серии «Естественные науки»; 
Сабинина А.Л., д-р экон. наук, доц., – 
отв. редактор серии «Экономические и юридические 
науки». Часть 1. «Экономические науки».  
 
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ: 

Ответственный редактор 
Борискин О.И., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Заместитель ответственного редактора 
Ларин С.Н., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Ответственный секретарь 
Яковлев Б.С., канд. техн. наук (ТулГУ, г. Тула). 

Члены редакционной коллегии: 
Александров А.Ю., д-р техн. наук (Ковровская 
государственная технологическая академия  
им. В.А. Дегтярева, г. Ковров); 
Баласанян Б.С., д-р техн. наук (Государственный 
инженерный университет Армении, г. Ереван,  
Армения); 
Васин С.А., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Дмитриев А.М., д-р техн. наук (Московский  
государственный технический университет  
«СТАНКИН», г. Москва); 
Запомель Я., д-р техн. наук (Технический  
университет Остравы, г. Острава, Чехия); 
Ковалев Р.А., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Колтунович Т.Н., д-р техн. наук (Люблинский 
технологический университет, г. Люблин, Польша); 
Кристаль М.Г., д-р техн. наук (Волгоградский 
государственный технический университет,  
г. Волгоград); 
Ларкин Е.В., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула) 

Мельников В.Е., д-р техн. наук (Национальный 
исследовательский университет «МАИ», г. Москва); 
Мещеряков В.Н., д-р техн. наук (Липецкий  
государственный технический университет,  
г. Липецк); 
Мозжечков В.А., д-р техн. наук  
(АО «Тулаэлектропривод», г. Тула); 
Распопов В.Я., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Савин Л.А., д-р техн. наук (Орловский 
государственный технический университет, г. Орел); 
Семилет В.В., д-р техн. наук (АО Конструкторское 
бюро приборостроения», г. Тула);  
Сорокин П.А., д-р техн. наук (Российский  
университет транспорта «МИИТ», г. Москва); 
Степанов В.М., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Сычугов А.А., канд. техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Чуков А.Н., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Яцун С.Ф., д-р техн. наук (Юго-западный  
государственный университет, г. Курск) 

 

 
Сборник зарегистрирован в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных 
технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). ПИ № ФС77-61104 от 19 марта 2015 г. 
Подписной индекс сборника 27851 по Объединённому каталогу «Пресса России». 
Сборник включен в «Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть  
опубликованы научные результаты диссертаций на соискание учёной степени кандидата наук, на соискание 
учёной степени доктора наук», утвержденный ВАК Минобрнауки РФ. 
 
© Авторы научных статей, 2018 
© Издательство ТулГУ, 2018 

Системный анализ, управление и обработка информации 
 

 
3

 
 
 
 
 
 
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА 
ИНФОРМАЦИИ 
 
 
 
УДК 629.052.9 
 
МОДЕРНИЗАЦИЯ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА 
ПОЛУНАТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ 
ЦВЕТНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ КОРРЕЛЯЦИОННО-ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ 
СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ И НАВЕДЕНИЯ 
 
В.В. Щербинин, Г.А. Кветкин, А.В. Пущин, Е.В. Шевцова  
 
Рассматриваются 
результаты 
опытной 
эксплуатации 
программноаппаратного комплекса. Описаны основные особенности его функционирования, а 
также предложенные варианты его модернизации для преодоления трудностей, проявившихся при натурных испытаниях. 
Ключевые слова: КЭСНН, корреляционно-экстремальные системы навигации, 
квадрокоптер, эталонные изображения, фототопография. 
 
В статье [1] был описан программно-аппаратный комплекс (ПАК), 
состоящий из квадрокоптера с гиростабилизированной камерой и соответствующего программно-математического обеспечения, на базе которого 
удалось обеспечить устойчивый полет и получить исходные данные для 
изготовления эталонных изображений, а также была отработана технология «склейки» отдельных фотоснимков и создания ортофотоплана на базе 
результатов тестового полета. В данной статье приводятся результаты 
функционирования данного ПАК, а также описан процесс его модернизации на основе опытной эксплуатации. 
Подбор камеры на основе результатов теоретических исследований 
Изготовление и хранение фотоснимков подстилающей поверхности 
с помощью выбранной на предыдущем этапе (в 2016 году) камеры «GoProHero4» возможны только в формате со сжатием по алгоритму «jpeg». 
Однако проведенные исследования [2] показали, что не известные потребителю методы сжатия изображений значительно искажают цветовую картину, что, в свою очередь, не позволяет эффективно применять алгоритмы 
корреляционной обработки. 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2018. Вып. 5 
 

 
4

Таким образом, использование камеры «GoProHero4» оказалось невозможным, поэтому был проведен анализ рынка малогабаритных камер, 
обеспечивающих запись данных с фоточувствительной матрицы в наиболее «сыром» виде (т.е. с минимальной предварительной обработкой). С 
учетом того, что требовалось установить данную камеру в имеющийся гиростабилизированный подвес «WalkeraG-3DH», выбор свелся к единственной доступной камере «XiaomiYi», изображенной на рис. 1. 
 

 
 
Рис. 1. Фото-видеокамера «XiaomiYi» 
 
Основные характеристики фото-видеокамеры XiaomiYi: 
поле зрения объектива……………………………….155°; 
фокусное расстояние объектива…………………..2,8 мм; 
датчик изображения CMOS 1/2.3”…………….16 Мпикс; 
процессор…………………………………AmbarellaA7LS; 
габариты………………………………...60,4×42×21,2 мм; 
Масса с батареей……………………………………….72 г. 
Тем не менее, при реализации режима записи фотографий в «сыром» формате пришлось существенно увеличить интервал между кадрами 
(до 6 с) ввиду ограничений скорости сохранения фотографий на записывающее устройство камеры. Подобный режим съемки потребовал существенного переосмысления и модернизации комплекса, в первую очередь, 
алгоритмов САУ БПЛА для реализации специального режима автоматического движения БПЛА – удержание заданного положения («висение»). 
Модернизация программного обеспечения (ПО) для ПАК цветной 
оптической КЭСНН 
В ходе работы над ПО была проведена следующая модернизация: 
- темп работы основного цикла программы был увеличен с 250 до 
2500 Гц, что обеспечило более широкую полосу пропускания системы для 
парирования внешних возмущений; 

Системный анализ, управление и обработка информации 
 

 
5

- разработан и реализован алгоритм перевода сигнала PPM–PWM, 
что позволило освободить дополнительные каналы на плате (для приемника команд радиоуправления); 
- оптимизирован алгоритм работы класса телеметрии для обеспечения возможности отправлять телеметрическую информацию посредством 
любого из COM-портов платы, обеспечена возможность параллельного 
выбора приоритетов и очередей отправки сообщений, что, в свою очередь, 
дало возможность отправки сообщений с различной частотой (1, 5, 10, 25, 
50 Гц и др.); 
- реализована 
регистрация 
параметров 
системы 
на 
Flashнакопитель. 
Особенности натурных испытаний элементов ПАК 
После проведения серии полетов в ручном режиме предстояло настроить алгоритмы САУ на автоматическую работу. Взлет и посадка осуществляются оператором, а среди требуемых автоматизированных режимов можно выделить: 
- удержание заданной высоты; 
- движение с заданной скоростью; 
- движение из текущей точки в заданную; 
- возвращение в исходную точку при потере связи с НСУ; 
- движение по заданному маршруту. 
Для реализации описанных режимов необходимо осуществить настройку ПИД-регуляторов, которые связывают информацию от датчиков 
первичной информации с исполнительными элементами – регуляторами 
оборотов электродвигателей квадрокоптера. Теоретическая основа такой 
настройки известна, однако на практике подбор коэффициентов представляет собой задачу многокритериальной оптимизации случайного нестационарного процесса. Сложность обеспечения устойчивости квадрокоптера в автоматическом полете может иметь в своей основе следующие причины: 
- узкая полоса пропускания встроенных инерциальных датчиков 
(т.е. датчики встроенного БЧЭ (IMU) не позволяют с достаточной точностью в заданный интервал времени определить абсолютные скорости ЛА); 
- недостаточное быстродействие алгоритма определения пространственного положения ЛА. 
В целом, данные причины обусловливают запаздывание идентификации движения ЛА относительно истинного движения, т.е. вносят нелинейные эффекты в контур автоматического управления. Поэтому по итогам анализа ситуации с целью проведения испытаний в сжатые сроки было 
принято использовать покупную систему управления БПЛА мультироторного типа All-In «APM Pixhawk». Такое решение позволило исключить из 
технологического процесса процедуру настройки ПИД-регуляторов. 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2018. Вып. 5 
 

 
6

 
Рис. 2. Внешний вид САУ «Pixhawk» 

Основные характеристики САУ «Pixhawk»: 
- процессор 
(дублированный): 
168 
MHzCortexM4FCPU 
(256 
KBRAM, 2 MBFlash);

- датчики первичной информации: трехосный акселерометр, трехосный датчик угловой скорости, трехосный магнитометр и бароальтиметр:

- встроенные системы контроля безопасности;
- разъемы/интерфейсы: microSD slot, 5 UARTs, CAN, I2C, SPI, ADC. 
Подбор объектива для фотокамеры с минимальными искажениями. 
При дальнейшем анализе исходных фотоматериалов было выявлено, что 
использование штатного широкоугольного объектива типа «рыбий глаз» 
вносит недопустимые искажения объектов на снимках, обусловленные 
бочкообразной дисторсией, и приводит к необходимости использования 
лишь центральной части фотоснимка. 
 

 
 
Рис. 3. Искажения, вносимые штатным объективом камеры 
 
Более наглядно проблема нелинейных искажений может быть продемонстрирована фотоснимком специальной цветной миры (рис. 4). 

Системный анализ, управление и обработка информации 
 

 
7

 
 
Рис. 4. Искажения фотоснимка цветной миры 
 
Для минимизации влияния геометрических искажений было принято решение об использовании специального объектива с углом зрения порядка 60 градусов вместо 90…120 градусов. После установки такого объектива была проведена верификация его горизонтального угла поля зрения, которая показала, что реальный угол зрения составил порядка 71 градус (рис. 5). 
 

 
 
Рис. 5. Результат верификации поля зрения камеры с установленным 
объективом 
 
Использование БПЛА самолетного типа 
Для охвата существенных областей подстилающей поверхности 
требуется значительная энергоемкость БПЛА. Проблема особенно актуальна для БПЛА мультироторного типа, а также в зимнее время года, когда 
эффективная емкость литиево-полимерных батарей резко падает. 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2018. Вып. 5 
 

 
8

Для решения данной проблемы была предпринята попытка использования БПЛА самолетного типа на базе модели «SkyWalker» (рис. 6). При 
равных емкостях батарейного блока (5000 мА∙ч) длительность полета на 
БПЛА самолетного типа достигает 50 минут, а на квадрокоптере – 15 минут. При понижении температуры окружающего воздуха до -5 °С, время 
полета снижается вдвое: до 25 и 7,5 мин, соответственно. 
Для реализации в экспериментах преимуществ БПЛА самолетного 
типа был дополнительно разработан программно-аппаратный комплекс на 
базе БПЛА «SkyWalker». 
Технические характеристики БПЛА «Skywalker 1880»: 
размах крыла……………………………………….….......1880 мм; 
длина фюзеляжа………………………………………….…1500мм; 
грузоподъемность…………………………………………...до 2 кг; 
продолжительность полета с батареями 5000 мА∙ч (45…50) мин; 
шасси отсутствуют. 
 

 
 
Рис. 6. БПЛА «SkyWalker 1880». Установка камеры 
 
Полеты на БПЛА самолетного типа были выполнены при отрицательной температуре окружающего воздуха. При этом удалось обеспечить 
длительную работу комплекса на одной батарее, однако отсутствие гиростабилизированного подвеса в БПЛА самолетного типа повлекло за собой 
появление искажений фотоснимков (рис. 7) вследствие угловых вибраций 
фюзеляжа в потоках набегающего воздуха. Послеполетный анализ показал, 
что искажения наблюдаются на 70 % от общего числа фотографий. 
 После анализа результатов проделанных полетов на разных типах 
ЛА было принято решение вернуться к использованию БПЛА мультироторного типа (рис. 8), обеспечивая при этом запас готовых батарей и доступный механизм их оперативной замены. 

Системный анализ

Рис. 7. Искажения фотоснимков

 

Рис. 8. Проведение испытаний

В результате модернизации

го участка местности в различные
их «склейка», результаты которой

Рис. 9. Полученные фрагменты

в различные

Системный анализ, управление и обработка информации

 

9

Искажения фотоснимков при использовании БПЛА самолетного

типа 

 
 

Проведение испытаний ПАК цветной оптической

результате модернизации ПАК были получены снимки

местности в различные сезоны – осенью и зимой

результаты которой представлены на рис. 9. 

 

Полученные фрагменты ортофотопланов местности

различные сезоны: а – позднее лето; б – зима

информации

использовании БПЛА самолетного 

оптической КЭСНН

получены снимки отдельно
осенью и зимой и выполнена 

ортофотопланов местности 

зима

Известия ТулГУ. Технические науки. 2018. Вып. 5 
 

 
10

Заключение 
В результате опытной эксплуатации ПАК был выявлен ряд трудностей, сопряженных с особенностями реальных систем: настройка устойчивого полета квадрокоптера, получение изображений с минимальными искажениями, обеспечение длительного полета в различных погодных условиях и пр. В ходе работы были предложены варианты преодоления данных 
трудностей, реализация которых позволила модернизировать ПАК, ввести 
его в эксплуатацию для экспериментальной проверки алгоритмов КЭСНН 
и ее основных характеристик. 
 
Список литературы 
 
1. Разработка программно-аппаратного комплекса полунатурного 
моделирования функционирования цветной оптической корреляционноэкстремальной системы навигации и наведения / В.В. Щербинин, Г.А. 
Кветкин, А.В. Пущин, А.А. Скибин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 11. Ч. 3. С. 75 – 85. 
2. Линеаризация функции преобразования цифрового цветного фотоаппарата для обработки изображений цветной оптической КЭСН / В.В. 
Щербинин, Г.А. Кветкин, А.В. Пущин, Е.В. Шевцова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 3  С. 54 
– 64. 
3. Щербинин В.В. Построение инвариантных корреляционноэкстремальных систем навигации и наведения летательных аппаратов. М.: 
Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 230 с. 
4. Методы и алгоритмы функционирования цветной оптической 
корреляционно-экстремальной системы навигации летательных аппаратов 
/ В.В. Щербинин, Е.В. Шевцова, Ю.С. Васильева, О.М. Чижевская // Гироскопия и навигация. 2012. Вып. 4 (79). С. 34 – 49. 
5. Сравнительная оценка точностных характеристик цветных и монохромных оптических КЭСНН ЛА / В.В. Щербинин, Г.А. Кветкин, И.О. 
Дегтярев, Е.В. Шевцова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 11. Ч. 2. С. 3 – 18. 
6. Щербинин В.В., Васильева Ю.С., Шевцова Е.В. Предварительные 
результаты оценки сезонной стабильности информативного параметра 
цветной оптической КЭСНН ЛА / // Известия Тульского государственного 
университета. Технические науки. 2015. Вып. 11. Ч. 2. С. 19 – 27. 
7. Исследование 
характеристик 
цветной 
корреляционноэкстремальной системы навигации и наведения летательного аппарата /  
В.В. Щербинин, Г.А. Кветкин, И.О. Дегтярев, Е.В. Шевцова // Известия 
Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 
6. С. 103 – 113.