Методи та програмне забезпечення децентралізованого управління груповим польотом безпілотних літальних апаратів на основі теорії неоднорідного векторного поля
Вантажиться...
Дата
2024
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань 12
Інформаційні технології за спеціальністю 121 Інженерія програмного забезпечення.
– Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут
імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024.
Дисертаційна робота присвячена розробці методів та програмного
забезпечення управління груповим польотом безпілотних літальних апаратів
(БПЛА). Важливо забезпечити групі автономних апаратів певну геометричну
організацію, де вони рухаються як єдине ціле. Цей підхід використовується для
виконання великої кількості практичних завдань. Наприклад, БПЛА літакового
типу мають високу швидкість та маневреність, що корисно для завдань, де важлива
тривалість та дальність польоту.
Для забезпечення такого управління необхідно впровадити методи, які
дозволяють апаратам діяти незалежно один від одного, уникаючи централізованого
керування. Такий підхід часто порівнюють з груповим управлінням, де кожен
апарат приймає власні рішення. Групове управління в контексті безпілотних літаків
розглядається, як організація групи апаратів з метою виконання складних завдань.
Метод векторних полів польоту по заданій траєкторії є одним із способів
досягнення такого групового управління, де апарати формують та підтримують
задані геометричні структури для спільного виконання завдань.
Метод управління групою автономних літаків, засновано на децентралізованій
архітектурі консенсусу та використанні неоднорідного векторного поля
проходження прямолінійного маршруту. Цей підхід спрямовано на створення
алгоритмів управління, що дозволяють літакам утримувати задане положення в
групі під час руху по прямолінійному горизонтальному маршруту. Він базується на
принципах консенсусу та використанні векторних полів проходження маршруту що забезпечує гнучкість у виборі бажаної форми групи з урахуванням складної
динаміки БПЛА.
Децентралізована архітектура консенсусу дозволяє апаратам узгоджувати своє
положення за рахунок обміну інформацією, сприяючи точному слідуванню по
заданій траєкторії та збереженню відносних положень літаків в групі. Цей метод
має суттєве значення для застосування у сферах, де сумісне функціонування
безпілотних літаків у групі є ключовим: моніторинг земної поверхні, пошук та
рятування, виконання військових завдань. Ці методи гарантують асимптотичне
наближення відносних положень в групі до заданих, а також наближення
швидкості кожного літака до середньої крейсерської швидкості.
На основі запропонованих методів були досліджені та оцінені алгоритми
групового управління для системи безпілотних літаків за допомогою імітаційної
математичної моделі.
Проблема групового управління автономними об’єктами у реальних умовах на
сьогоднішній день є досить актуальною. Це обумовлено складністю управління,
динамічними змінами параметрів обстановки, обмеженнями на вхідні сигнали
управління в реальних системах «автопілот-БПЛА». Питанням групового
управління безпілотних літальних апаратів присвячено багато досліджень та
публікацій таких зарубіжних та українських вчених: A. Piccard, C. Ryan, C. Peebles,
G. Collins, A. Erickson, N. Baldock, M. R. Mokhtarzadeh-Dehghan, L. N. Craig, R.
Olfati-Saber, R.W. Beard, W. Ren, T.W. McLain, H. Yamaguchi, а також Л. Артюшин,
О. Кононов, О. Машков, Д. Кучеров, Т. Шевельова, П. Павленко, Д. Бондарєв, В.
Голембо, А. Бочкарьов, О. Мартинюк, В. Герасименко, О. Барабаш та інших.
Відповідно до загальноприйнятого визначення, під груповим управлінням
мається на увазі отримання заданої заздалегідь геометричної форми групою
автономних динамічних об’єктів. У процесі подальшого виконання завдання група
має підтримувати цю форму, діючи як тверде тіло. Групи БПЛА використовуються
у великій кількості практичних завдань. Тому проблеми групового управління
БПЛА отримують останнім часом велику увагу дослідників усього світу.
Результати досліджень свідчать про успіх запропонованих методів управління.
Алгоритми, розроблені на їх основі, продемонстрували здатність до стабільного
утримання групи та точного слідування по заданим траєкторіям руху літаків за
різними сценаріями.
На підставі проведеного аналізу виявлено існування протиріччя на практиці:
між вимогами підвищення ефективності групового управління безпілотними ЛА,
що вимагає збільшення витрат на розробку математичного та програмного
забезпечення та вимогами зменшення витрат на виконання безпілотними
літальними апаратами різних завдань та місій; та протиріччя в теорії: між
необхідністю збереження конфігурації групи БПЛА на етапі групового польоту в
умовах дії зовнішніх та внутрішніх дестабілізуючих факторів та обмеженістю
можливостей існуючих методів щодо забезпечення стійкості групи автономних
БПЛА при децентралізованому управлінні.
Дана суперечлива ситуація лежить в основі актуального наукового завдання
щодо розробки методів та архітектури програмного забезпечення для
децентралізованого групового управління безпілотних літальних апаратів (БПЛА)
з урахуванням особливостей їх динаміки, а також розробка математичної моделі
для експериментального дослідження ефективності управління груповим
польотом БПЛА.
Дисертаційна робота виконана відповідно з поточними та перспективними
планами наукової та науково-технічної діяльності Національного технічного
університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
та кафедри інженерії програмного забезпечення в енергетиці. Дослідження тісно
пов'язано з розробкою науково-дослідних робіт (НДР), в яких автор приймав
особисту участь, а саме: НДР «Методи забезпечення функціональної стійкості
розподілених інформаційних систем» (номер держреєстрації 0121U108334).
Метою дисертації є підвищення ефективності управління формуванням та
підтримкою заданого положення групи автономних безпілотних літальних апаратів
за рахунок розробки методів, алгоритмів та програмного забезпечення
децентралізованого управління, що враховує нелінійний характер структури
систем "автопілот-апарат".
Об’єкт дослідження – процеси розробки архітектури програмного
забезпечення для автоматизації групового управління автономних безпілотних
літальних апаратів.
Предмет дослідження – методи та програмні засоби групового управління
автономних безпілотних літальних апаратів.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в дисертаційній
роботі:
1. Вперше розроблено архітектуру та програмне забезпечення для управління
та візуалізації групових польотів БПЛА, що базується на використанні
децентралізованої архітектури взаємодії на основі схем консенсусу та гетерогенних
векторних полів для відстеження заданої траєкторії руху. Зазначене програмне
забезпечення відрізняється від відомих лінійних моделей завдяки інтеграції
автопілотів БПЛА, що розширює можливості практичного застосування за межами
існуючих підходів. Програмне забезпечення дозволяє підтримувати різні статуси
місій та дронів та надає можливості користувачам виконувати різноманітні дії
через інтерфейс для групового управління і місіями. Використання даного
програмного забезпечення дозволяє керувати групами БПЛА для виконання різних
завдань, зменшуючи енергетичні та часові витрати на виконання завдань.
2. Удосконалено метод простору відносних станів для формування групового
управління БПЛА, що відрізняється від відомих законів керування точковими
масами врахуванням динаміки польоту БПЛА. Реалізація зазначеного методу
дозволяє мінімізувати загальну енергію, необхідну для підтримки групи БПЛА,
враховуючи відстань між сусідніми БПЛА та необхідну корекцію курсу, що
дозволило знизити енергоспоживання на 20 %.
3. Удосконалено метод формування керуючих впливів наведення БПЛА, який
відрізняється від традиційних законів керування застосуванням методу нелінійного
синтезу. Метод не враховує точне відстеження керуючих сигналів кінематичними
моделями БПЛА, що дозволяє істотно збільшити ефективність виконання місій.
Врахування сил притягування та відштовхування, що реагують на зміни в динаміці
групи та середовища, дозволяє оптимізувати шляхи БПЛА для зниження
загального часу місії та витрат енергії для групи з 15 БПЛА, що призвело до
скорочення часу виконання місії на 25 %.
4. Удосконалено модель групового польоту БПЛА в середовище
MATLAB/Simulink, яка, на відміну від спрощених моделей, реалізує нелінійну
динаміку апаратів і стандартні автопілоти для кожного з них, що дозволяє
проводити налаштування параметрів у законах групового управління, оцінювати
дію атмосферних полів на груповий політ БПЛА, а також здійснювати візуалізацію
одержаних результатів.
Імітаційна математична модель системи групового управління БПЛА
дозволила візуалізувати поведінку літаків у різних умовах та сценаріях управління,
підтверджуючи ефективність та стійкість запропонованих алгоритмів.
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що методи і
програмне забезпечення можуть бути застосовані при розробці систем групового
управління безпілотними літальними апаратами. Ці системи є важливими для
вирішення різноманітних практичних завдань. Наприклад, вони можуть бути
використані для радіолокаційної локалізації, операцій радіоелектронної боротьби,
подолання ППО противника за допомогою хибних цілей. Крім того, вони
дозволяють координувати ураження цілей, формувати антенні решітки на базі
БПЛА для покращення зв'язку і вимірювати швидкість вітру для метеорологічних
досліджень. Ці досягнення також дозволяють збільшити корисне навантаження або
дальність польоту за рахунок зменшення індуктивного опору під час польотів у
щільних групах. Такі застосування підкреслюють широкомасштабний вплив
результатів досліджень на ефективність застосування як військових, так і
цивільних БПЛА.
Використовуючи розроблене програмне забезпечення та удосконалені методи
в роботі виконані обчислювальні експерименти для групи з 15 БПЛА. Результати
моделювання підтвердили ефективність запропонованих удосконалених методів та
алгоритмів. Значних змін було досягнуто в методі простору відносних станів для
формування групового управління, який, в результаті удосконалення, враховує
динамічну поведінку БПЛА в польоті. Застосування цього методу дозволило
помітно зменшити загальну кількість енергії, необхідної для підтримання
положення групи БПЛА, що призвело до зниження енергоспоживання на 20 %.
Крім того, удосконалено метод формування керуючих впливів на БПЛА шляхом
нелінійного синтезу. Цей метод не покладається на точне відстеження керуючих
сигналів кінематичними моделями БПЛА, що дозволило суттєво підвищити
ефективність виконання місії. Включення адаптивних сил притягування та
відштовхування, які реагують на групову динаміку і зміни навколишнього
середовища, оптимізує траєкторії руху БПЛА. Це дозволило на 25 % скоротити час
виконання місії для групового управління з 15 БПЛА. Удосконалена модель
польоту групового управління БПЛА була розроблена в середовищі
MATLAB/Simulink для проведення математичного моделювання та візуалізації
групового польоту БПЛА. Вона дозволяє налаштовувати параметри групових
законів керування, оцінювати вплив атмосферних полів на польоти груп БПЛА та
візуалізувати отримані результати.
Результати досліджень прийняті до впровадження в Секторі № 5 оборони міста
Київ (акт від 18.08.2023 р.); в ТОВ «Інтертехфорвард» (акт від 12.01.2024 р.); в
навчальному процесі Національного технічного університету України «Київський
політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» (акт від 12.02.2024 р.) при
викладанні дисципліни «Проектування кібер-фізичних систем» для студентів
освітньо-кваліфікаційного рівня «Бакалавр» спеціальності 121 «Інженерія
програмного забезпечення».
Отримані результати дослідження вказують на перспективність використання
цих методів у практичних застосуваннях для підвищення точності та ефективності
управління безпілотними літаками, зокрема у сфері моніторингу, пошуку,
рятування та військових цілях.
Опис
Ключові слова
безпілотні літальні апарати, БПЛА, програмне забезпечення, інформаційна технологія, децентралізоване управління, автономність, самоорганізація груп, групове управління, відхилення, траєкторія польоту, моделювання, стійкість системи, архітектура програмного забезпечення, unmanned aerial vehicles, UAVs, software, information technology, decentralized control, autonomy, self-organization of groups, group control, deviation, flight trajectory, modeling, system stability, software architecture
Бібліографічний опис
Кир'янов, А. Ю. Методи та програмне забезпечення децентралізованого управління груповим польотом безпілотних літальних апаратів на основі теорії неоднорідного векторного поля : дис. … д-ра філософії : 121 Інженерія програмного забезпечення / Кир'янов Артемій Юрійович. – Київ, 2024. – 206 с.