Програмна реалізація алгоритмів навігації БПЛА із використанням систем обробки телеметрії
Автор: Романів Віктор Павлович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Системне адміністрування телекомунікаційних мереж
Інститут: Інститут інформаційно-комунікаційних технологій та електронної інженерії
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2025-2026 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Безпілотні літальні апарати (БПЛА) все частіше застосовуються в цивільній, науковій та промисловій сферах, включаючи моніторинг навколишнього середовища, логістику, точне землеробство та оборону. Надійність роботи БПЛА значною мірою залежить від ефективності його навігаційних алгоритмів та точності телеметричних даних, що використовуються для визначення положення, орієнтації та параметрів польоту. Тому розробка програмних систем, здатних збирати, фільтрувати та інтегрувати телеметрію з різних датчиків, стала ключовим напрямком у сучасних дослідженнях БПЛА [1]. Ця магістерська дисертація зосереджена на програмній реалізації навігаційних алгоритмів БПЛА на основі систем обробки телеметрії, що поєднують дані від GPS, IMU, барометричних датчиків та оптичних камер. За даними Чена, інтеграція кількох джерел даних шляхом об’єднання датчиків значно покращує точність навігації БПЛА в складних умовах, таких як втрата сигналу GPS, шумові перешкоди та дрейф датчиків [2]. Особлива увага приділяється методам фільтрації шуму, об’єднання датчиків та оцінки положення за допомогою таких алгоритмів, як розширений фільтр Калмана (EKF), додатковий фільтр та моделі корекції на основі машинного навчання [4]. Методологія дослідження включає як теоретичний, так і експериментальний аналіз навігаційного конвеєра БПЛА — від збору телеметричних даних до прийняття рішень в автономному управлінні польотом. Програмна реалізація була виконана в середовищі програмування Python з використанням таких бібліотек, як NumPy, OpenCV та Matplotlib. Слідуючи ідеям Sharma [3], була розроблена модульна архітектура для підтримки об’єднання даних у реальному часі та адаптивної навігації.Проведено три основні експериментальні дослідження: 1. фільтрація телеметричних даних із використанням EKF у порівнянні з даними лише IMU; 2. тестування інтеграції GPS + IMU + барометричних сенсорів (Sensor Fusion); 3. співставлення карти (map-matching) та корекція траєкторії в умовах імітації глушіння сигналу GPS [5]. Ці експерименти дали змогу порівняти точність навігації, стабільність польоту та час відновлення після деградації телеметричних даних. Метою магістерської роботи є розроблення та оцінювання ефективності програмних алгоритмів навігації БПЛА на основі обробки телеметричних даних [2], а також визначення їх точності та стійкості в різних умовах експлуатації [4]. Основні завдання дослідження: 1. Проаналізувати роль і структуру телеметрії в системах навігації БПЛА. 2. Дослідити існуючі навігаційні алгоритми та методи інтеграції сенсорних даних. 3. Розробити програмні модулі збору та фільтрації телеметрії. 4. Провести експериментальну оцінку ефективності навігації в умовах завад і глушіння сигналу. 5. Оцінити техніко-економічну доцільність розроблення подібної підсистеми навігації на основі телеметрії. Об’єктом дослідження є процес навігації БПЛА на основі телеметричних даних. Предметом дослідження є програмні алгоритми та методи обробки даних, що забезпечують автономну навігацію в умовах невизначеності. Методи дослідження включають теоретичний аналіз, моделювання та експериментальні випробування у середовищі Python. У першому розділі подано огляд сучасних методів навігації та збору телеметрії БПЛА, включно з GPS-, IMU-, барометричними та візуальними системами. Другий розділ присвячений теоретичним основам навігаційних алгоритмів — моделям руху, плануванню траєкторій, стабілізації та розпізнаванню об’єктів. Третій розділ описує програмну реалізацію алгоритмів навігації в Python, архітектуру системи, модулі обробки телеметрії та візуалізацію результатів. Четвертий розділ містить експериментальні дослідження, що охоплюють фільтрацію телеметрії, багатосенсорну інтеграцію та співставлення карти. П’ятий розділ подає техніко- економічне обґрунтування створення системи, оцінює витрати, очікувані вигоди та термін окупності підсистеми. Проведене дослідження показало, що обробка телеметрії програмними методами суттєво підвищує точність та надійність навігації БПЛА, забезпечуючи стабільний політ навіть за часткової втрати супутникових даних. Реалізовані алгоритми можуть використовуватись як у наукових і навчальних цілях, так і як прототип для реальних систем навігації безпілотних літальних апаратів [3].