Методи та програмне забезпечення децентралізованого управління груповим польотом безпілотних літальних апаратів на основі теорії неоднорідного векторного поля
| dc.contributor.advisor | Барабаш, Олег Володимирович | |
| dc.contributor.author | Кир'янов, Артемій Юрійович | |
| dc.date.accessioned | 2024-08-12T08:56:00Z | |
| dc.date.available | 2024-08-12T08:56:00Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | PhD thesis in the field of knowledge 12 Information technologies in a specialty 121 Software engineering. – National technical university of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv polytechnic institute”, Kyiv, 2023. The dissertation is devoted to the development of methods and software for group flight control of unmanned aerial vehicles (UAVs). It is important to provide a group of autonomous vehicles with a certain geometric organization, where they move as a single whole. This approach is used to perform a large number of practical tasks. For example, aircraft-type UAVs have high speed and maneuverability, which is useful for tasks where duration and range are important. To ensure such control, it is necessary to introduce methods that allow the apparatus to act independently of each other, avoiding centralized control. This approach is often compared to group management, where each apparatus makes its own decisions. Group control in the context of unmanned aircraft is considered as the organization of a group of vehicles in order to perform complex tasks. The method of vector flight fields along a given trajectory is one of the ways to achieve such group control, where the vehicles form and maintain the specified geometric structures for joint performance of tasks. The method of controlling a group of autonomous aircraft is based on a decentralized consensus architecture and the use of a heterogeneous vector field for passing a straight route. This approach is aimed at creating control algorithms that allow aircraft to maintain a given position in the group while moving along a straight horizontal route. It is based on the principles of consensus and the use of vector fields for the passage of the route, which provides flexibility in choosing the desired form of the group, taking into account the complex dynamics of the UAV. The decentralized consensus architecture allows aircraft to coordinate their position through the exchange of information, facilitating accurate tracking of a given trajectory and maintaining the relative positions of aircraft in a group. This method is essential for use in areas where the joint functioning of unmanned aircraft in a group is key: monitoring the earth's surface, search and rescue, and performing military missions. These methods guarantee an asymptotic approximation of the relative positions in the group to the specified ones, as well as an approximation of the speed of each aircraft to the average cruise speed. On the basis of the proposed methods, the algorithms of group control for the system of unmanned aircraft using a simulation mathematical model were investigated and evaluated. The problem of group control of autonomous objects in real conditions is quite relevant today. This is due to the complexity of control, dynamic changes in situational parameters, restrictions on input control signals in real "autopilot-UAV" systems. A lot of research and publications of the following foreign and Ukrainian scientists are devoted to the issues of group control of unmanned aerial vehicles: 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, as well as L. Artyushin, O. Kononov, O. Mashkov, D. Kucherov, T. Sheveleva, P. Pavlenko, D. Bondarev, V. Golembo, A. Bochkarev, O. Martynyuk, V. Gerasimenko, O. Barabash and others. According to the generally accepted definition, group control means obtaining a predetermined geometric shape by a group of autonomous dynamic objects. In the process of further completion of the task, the group must maintain this form by acting as a rigid body. Groups of UAVs are used in a large number of practical tasks. Therefore, the problems of group control of UAVs have recently received great attention from researchers around the world. The results of the research testify to the success of the proposed management methods. The algorithms developed on their basis have demonstrated the ability to maintain a stable group and accurately follow the given trajectories of aircraft in various scenarios. On the basis of the analysis, the existence of a contradiction in practice has been revealed: between the requirements for increasing the efficiency of group control of unmanned aircraft, which requires an increase in the cost of developing mathematical and software, and the requirements for reducing the cost of performing various tasks and missions by unmanned aerial vehicles; and contradictions in theory: the need to maintain the configuration of a group of UAVs at the stage of group flight under the influence of external and internal destabilizing factors and the limited capabilities of existing methods to ensure the stability of a group of autonomous UAVs under decentralized control. This controversial situation is the basis of the current scientific task of developing methods and software architecture for decentralized group control of unmanned aerial vehicles (UAVs), taking into account the peculiarities of their dynamics, as well as the development of a mathematical model for an experimental study of the effectiveness of UAV group flight control. The dissertation work was carried out in accordance with the current and long-term plans of scientific and scientific-technical activities of the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" and the Department of Software Engineering in Energy. The research is closely related to the development of research works in which the author took a personal part, namely: R&D "Methods for Ensuring the Functional Stability of Distributed Information Systems" (number state registration 0121U108334). The purpose of the dissertation is to increase the efficiency of management of the formation and maintenance of a given position of a group of autonomous unmanned aerial vehicles through the development of methods, algorithms and software for decentralized control, which takes into account the nonlinear nature of the structure of the "autopilotvehicle" systems. The object of the research is the processes of software architecture development for the automation of group control of autonomous unmanned aerial vehicles. The subject of the research is methods and software for group control of autonomous unmanned aerial vehicles. The scientific novelty of the obtained results lies in the fact that in the dissertation: 1. For the first time, the architecture and software for the control and visualization of UAV group flights were developed, based on the use of a decentralized interaction architecture based on consensus schemes and heterogeneous vector fields to track a given trajectory. This software differs from well-known linear models due to the integration of UAV autopilots, which expands the possibilities of practical application beyond existing approaches. Programmatic The software allows you to maintain different statuses of missions and drones and provides the ability for users to perform a variety of actions through an interface for group control and missions. The use of this software allows you to control groups of UAVs to perform various tasks, reducing energy and time costs for performing tasks. 2. The method of relative state space for the formation of group control of UAVs has been improved, which differs from the known laws of control of point masses by taking into account the dynamics of UAV flight. The implementation of this method minimizes the total energy required to support a group of UAVs, taking into account the distance between neighboring UAVs and the necessary course correction, which reduced energy consumption by 20%. 3. The method of formation of control actions of UAV guidance has been improved, which differs from the traditional control laws using the method of nonlinear synthesis. The method does not take into account the accurate tracking of control signals by kinematic models of UAVs, which can significantly increase the efficiency of missions. By taking into account the attraction and repulsion forces that respond to changes in the dynamics of the group and the environment, UAV paths can be optimized to reduce the overall mission time and energy expenditure for a group of 15 UAVs, resulting in a 25% reduction in mission completion time. 4. The model of group flight of UAVs in the MATLAB/Simulink environment has been improved, which, unlike simplified models, implements nonlinear dynamics of devices and standard autopilots for each of them, which allows you to adjust the parameters in the laws of group control, evaluate the effect of atmospheric fields on the group flight of the UAV, as well as visualize the results obtained. A simulation mathematical model of the UAV group control system made it possible to visualize the behavior of aircraft in various conditions and control scenarios, confirming the effectiveness and stability of the proposed algorithms. The practical significance of the obtained results lies in the fact that the methods and software can be applied in the development of group control systems for unmanned aerial vehicles. These systems are important for solving a variety of practical problems. For example, they can be used for radar localization, electronic warfare operations, and overcoming enemy air defenses with false targets. In addition, they allow you to coordinate the destruction of targets, form antenna arrays based on UAVs to improve communication and measure wind speed for meteorological research. These advances also allow for increased payload or range by reducing inductive drag when flying in dense groups. Such applications highlight the wide-ranging impact of research findings on the effectiveness of both military and civilian UAVs. Using the developed software and improved methods in the work, computational experiments were carried out for a group of 15 UAVs. The results of the simulation confirmed the effectiveness of the proposed improved methods and algorithms. Significant changes have been made in the method of relative space of states for the formation of group control, which, as a result of improvement, takes into account the dynamic behavior of the UAV in flight. The use of this method made it possible to significantly reduce the total amount of energy required to maintain the position of the UAV group, which led to a reduction in energy consumption by 20%. In addition, the method of generating control actions on UAVs by nonlinear synthesis has been improved. This method does not rely on accurate tracking of control signals by kinematic models of UAVs, which has significantly increased the efficiency of the mission. The inclusion of adaptive attraction and repulsion forces, which respond to group dynamics and environmental changes, optimizes the UAV's trajectories. This made it possible to reduce the mission execution time by 25% for group control with 15 UAVs. An advanced UAV group control flight model was developed in the MATLAB/Simulink environment to conduct mathematical modeling and visualization of a UAV group flight. It allows you to adjust the parameters of group control laws, assess the impact of atmospheric fields on the flights of UAV groups and visualize the results obtained. The results of the research were accepted for implementation in Sector No. 5 of the defense of the city Kyiv (act of 18.08.2023); in Intertechforward LLC (act of 12.01.2024); in the educational process of the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" (act of 12.02.2024) when teaching the discipline "Design of Cyber-Physical Systems" for students of the educational qualification level "Bachelor" in the specialty 121 "Software Engineering". The results of the study indicate the prospects of using these methods in practical applications to improve the accuracy and efficiency of control of unmanned aircraft, in particular in the field of monitoring, search, rescue and military purposes. | |
| dc.format.extent | 206 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/68236 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | безпілотні літальні апарати | |
| dc.subject | БПЛА | |
| dc.subject | програмне забезпечення | |
| dc.subject | інформаційна технологія | |
| dc.subject | децентралізоване управління | |
| dc.subject | автономність | |
| dc.subject | самоорганізація груп | |
| dc.subject | групове управління | |
| dc.subject | відхилення | |
| dc.subject | траєкторія польоту | |
| dc.subject | моделювання | |
| dc.subject | стійкість системи | |
| dc.subject | архітектура програмного забезпечення | |
| dc.subject | unmanned aerial vehicles | |
| dc.subject | UAVs | |
| dc.subject | software | |
| dc.subject | information technology | |
| dc.subject | decentralized control | |
| dc.subject | autonomy | |
| dc.subject | self-organization of groups | |
| dc.subject | group control | |
| dc.subject | deviation | |
| dc.subject | flight trajectory | |
| dc.subject | modeling | |
| dc.subject | system stability | |
| dc.subject | software architecture | |
| dc.subject.udc | 004.75:681.5 | |
| dc.title | Методи та програмне забезпечення децентралізованого управління груповим польотом безпілотних літальних апаратів на основі теорії неоднорідного векторного поля | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: