Навигация и позиционирование БПЛА в условиях чрезвычайных ситуаций при строительстве метрополитена и транспортных тоннелей

Аннотация

Статья посвящена обеспечению надежной навигации и позиционирования беспилотных летательных аппаратов при аварийных сценариях, характерных для строительства метрополитена и транспортных тоннелей, когда спутниковая навигация недоступна из-за экранирования, помех или подавления, а задымление и низкая освещенность ухудшают работу оптических средств. Рассмотрены ограничения существующих подходов, ориентированных на частично контролируемые условия, и предложена мультисенсорная архитектура, объединяющая инерциальную навигационную систему для кратковременной автономности, визуальную одометрию для компенсации дрейфа при сохранении видимости, радиочастотные маяки UWB/Wi-Fi для глобальной привязки в инфраструктурно оснащенных зонах и лидарный SLAM для работы в полной темноте. Ключевым вычислительным механизмом выступает адаптивная коррекция на основе фильтра Калмана с динамическим перераспределением доверия к сенсорам через веса, рассчитываемые по экспоненциальной функции от оценок дисперсий ошибок; показано, что параметр чувствительности γ задает компромисс между инерционностью и резким доминированием «лучшего» канала, а для ускоренной реакции на внезапные изменения среды предложена временно изменяемая настройка γ(t), зависящая от скорости роста дисперсии. Обсуждены численные аспекты реализации (нормализация экспоненты, симметризация ковариаций, разложения Холецкого и SVD, итерационные методы), а также расширение модели на случай коррелированных шумов посредством введения кросс-ковариационной матрицы и обработка асинхронных измерений буферизацией. Экспериментальная проверка в имитации задымления (плотность до 0,7-0,8 ед.), в подземном тоннеле с размещением UWB-маяков через 10 м и в городской среде при подавлении GPS демонстрирует снижение погрешности до 0,3-0,4 м в экстремальных режимах и преимущество в 3-10 раз относительно моносенсорных решений; дополнительно показано уменьшение роста ошибки с увеличением длины тоннеля (до 14 см на 1000 м) по сравнению с одной ИНС. Указаны ограничения, связанные с вычислительной нагрузкой и требованиями к бортовым вычислителям, а также направления дальнейшей миниатюризации и оптимизации.