Научная статья на тему 'Концептуальная и графовая модели взаимодействия беспилотного летательного аппарата с наземной робототехнической сервисной платформой'

Концептуальная и графовая модели взаимодействия беспилотного летательного аппарата с наземной робототехнической сервисной платформой Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
225
43
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СЕРВИСНЫЕ ПЛАТФОРМЫ / БЕСПИЛОТНЫЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ / СИСТЕМЫ ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРОВ / СИСТЕМЫ ЗАМЕНЫ АККУМУЛЯТОРОВ / АГРАРНАЯ РОБОТОТЕХНИКА / ROBOTIC SERVICE PLATFORMS / UNMANNED AERIAL VEHICLES / BATTERY CHARGING SYSTEMS / BATTERY REPLACEMENT SYSTEMS / AGRICULTURAL ROBOTICS

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Нго Т. К.

Рассматривается задача увеличения времени работы беспилотных летательных аппаратов при решении сельскохозяйственных задач. Проанализированы подходы заряда или замены бортовых аккумуляторов на сопровождающей роботизированной платформе. Имеющиеся прототипы сервисных роботизированных платформ отличаются сложностью внутренних механизмов, скоростью обслуживания, алгоритмами совместной работы платформы и летательного аппарата при посадке и обслуживании аккумулятора. Предложены концептуальная и графовая модели взаимодействия беспилотного летательного аппарата с наземной платформой, осуществляющей функции их транспортировки и технического обслуживания. Выполнены предварительные расчеты, и создана программа для моделирования и визуализации процесса взаимодействия нескольких платформ и беспилотных летательных аппаратов при обработке аграрных объектов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Нго Т. К.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Conceptual and Graph Models of Interaction of Unmanned Aerial Vehicle with Ground Robotic Service Platform

The task of increasing the operating time of unmanned aerial vehicles in solving agricultural operations is considered. Several approaches to charge or replace onboard batteries on the accompanying robotic platform are analyzed. The existing prototypes of service robotic platforms are distinguished by the complexity of the internal mechanisms, the speed of service, the algorithms of the platform and unmanned aerial vehicles working together during landing and battery maintenance. Conceptual and graph models of the interaction of an unmanned aerial vehicle with a ground platform that performs the functions of their transportation and maintenance are proposed. Preliminary calculations have been performed and a program has been created for modeling and visualizing the process of interaction between several platforms and unmanned aerial vehicles during the processing of agricultural objects.

Текст научной работы на тему «Концептуальная и графовая модели взаимодействия беспилотного летательного аппарата с наземной робототехнической сервисной платформой»

Концептуальная и графовая модели взаимодействия беспилотного летательного аппарата с наземной робототехнической сервисной платформой

Аспирант Т.К. Нго Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, Санкт-Петербург, Россия [email protected]

Аннотация. Рассматривается задача увеличения времени работы беспилотных летательных аппаратов при решении сельскохозяйственных задач. Проанализированы подходы заряда или замены бортовых аккумуляторов на сопровождающей роботизированной платформе. Имеющиеся прототипы сервисных роботизированных платформ отличаются сложностью внутренних механизмов, скоростью обслуживания, алгоритмами совместной работы платформы и летательного аппарата при посадке и обслуживании аккумулятора. Предложены концептуальная и графовая модели взаимодействия беспилотного летательного аппарата с наземной платформой, осуществляющей функции их транспортировки и технического обслуживания. Выполнены предварительные расчеты, создана программа для моделирования и визуализации процесса взаимодействия нескольких платформ и беспилотных летательных аппаратов при обработке аграрных объектов.

Ключевые слова: робототехнические сервисные платформы, беспилотные летательные аппараты, системы заряда аккумуляторов, системы замены аккумуляторов, аграрная робототехника.

Введение

Роботизированные средства с разной степенью автономности функционирования все чаще применяются в сельскохозяйственном секторе, в том числе для посева зерновых, внесения удобрений, сбора урожая, распыления пестицидов. Совместное использование гетерогенных наземных и воздушных средств расширяет функциональные и сенсорные возможности роботизированной обработки сельскохозяйственных угодий и применения в других предметных областях [1-3]. В ряде случаев, например при обслуживании систем энергопитания и транспортировке воздушных средств, возникает задача физического соединения между летательным аппаратом и наземной платформой, функционирующих автономно [4, 5]. Сложность решения данной задачи связана с выполнением этапов посадки, фиксации и механизированной обработки аккумуляторов летательного аппарата на роботизированной наземной платформе [6].

В связи с изложенным исследование моделей и алгоритмов управления и взаимодействия гетерогенных сельскохозяйственных роботизированных комплексов является актуальным научным направлением, ориентированным на

решение задачи увеличения времени функционирования беспилотных летательных аппаратов (БЛА) при длительных автономных работах на сельскохозяйственных полях, что в конечном итоге будет способствовать сокращению сроков обработки сельскохозяйственных объектов за счет автоматизации и применения роботизированных комплексов [7]. Далее рассмотрим несколько работ последних лет, описывающих существующие подходы к решению задачи сервисного обслуживания БЛА на наземных робототехни-ческих станциях.

В работе [8] обосновывается, что поиск оптимальной траектории движения группы БЛА с учетом периодического обслуживания систем энергопитания на сопровождающей группе наземных мобильных заряжающих станций при выполнении некоторой миссии является КР-полной задачей. Для ее решения предлагается ряд модификаций методов линейного программирования и эвристических подходов.

В работе [9] БЛА рассматриваются как транспортные средства, оценивается стоимость их массового использования с учетом обслуживания на стационарных дозаправоч-ных станциях, очередности обработки БЛА и динамических задержек в их прилете.

В работе [10] рассмотрены основные подходы к увеличению продолжительности полета БЛА за счет снижения энергозатрат, в частности: 1) использование новых легких материалов; 2) снижение энергопотребления бортовых устройств; 3) улучшение аэродинамических характеристик БЛА; 4) использование гибридных схем построения БЛА, в том числе с использованием аэростатической разгрузки БЛА самолетного и вертолетного типа; 5) динамическая маршрутизация полетов группы БЛА; 6) нетривиальное решение со сбрасыванием разряженных источников питания и снижения за счет этого массы БЛА.

При разработке модели управления многофункциональным механизмом соединения гетерогенных сельскохозяйственных роботизированных комплексов, а именно систем обслуживания аккумуляторов БЛА, необходимо учесть следующие функциональные и технические требования [11]:

- обеспечение идентифицируемого пространства для посадки на зарядной платформе: 1) наличие достаточной площади для посадки (более чем в 1,5 раза больше погрешности навигационной системы) пропорционально допустимому количеству и размеру проекции обслуживаемых БЛА; 2) наличие визуальной посадочной метки достаточного размера и сложности для распознавания системой навигации БЛА; 3) наличие коммуникационной системы для передачи текущего положения БЛА в навигационную систему;

- обеспечение зарядки батареи: 1) обеспечение безопасного электрического интерфейса между батареей на БЛА, электроникой БЛА, зарядным устройством на платформе и системой обнаружения БЛА; 2) идентификация факта приземления БЛА в правильном положении; 3) обеспечение заряда батареи; 4) контроль расхода электроэнергии и состояния внутренних источников питания;

- обеспечение питания зарядной платформы: 1) пополнение энергосистемы платформы; 2) преобразование энергии для использования при зарядке БЛА;

- обеспечение мобильности платформы: 1) легкая настройка при разворачивании системы на новом месте; 2) возможность транспортировки.

Перечисленные выше функциональные и технические требования будут учтены при разработке наземной роботизированной платформы, оснащенной посадочными площадками и многофункциональными механизмами захвата беспилотных летательных аппаратов и обслуживания их встроенных энергосистем, с учетом разработанных ранее технологических решений [12, 13].

Моделирование взаимодействия БЛА и сервисной платформы

Для формализации задачи взаимодействия гетерогенных сельскохозяйственных роботизированных комплексов и диспетчеризации процесса обслуживания беспилотных летательных аппаратов на наземных сервисных платформах была предложена концептуальная модель, включающая следующие основные сущности: сельскохозяйственное пространство, беспилотный летальный аппарат, наземная сервисная платформа, наземный центр управления. Предложенная модель служит основой для анализа способов управления и взаимодействия наземных сервисных платформ и беспилотных летательных аппаратов при решении аграрных задач. Основные элементы и связи предложенной концептуальной модели показаны на рисунке 1.

Сельскохозяйственное пространство упрощенно описывается основными параметрами по геометрической проходимости наземной техники по обрабатываемым угодьям, параметрами выращиваемых культур, необходимым перечнем аграрных задач и расписанием их выполнения, а также текущими погодными условиями.

Наземный центр управления осуществляет связь с гетерогенными роботизированными комплексами, расчет маршрутов их перемещения и планируемые сельскохозяйственные задачи. Также наземный центр управления включает в себя автоматизированное рабочее место оператора, но его функции с развитием и увеличением степени автономности роботизированных средств будет сокращаться от телеуправления к супервизорному управлению и мониторингу непредусмотренных ситуаций.

При описании наземной сервисной платформы необходимо знать текущий режим ее функционирования, координаты, скорость, состояние системы энергопитания, степень заполненности контейнера с ресурсами, а также текущее число БЛА, находящихся на платформе. Среди рассматриваемых параметров БЛА следует отметить также текущий режим его функционирования, координаты, скорость, степень разряженности аккумулятора, степень заполненности контейнера с ресурсами.

Наземный центр управления

Автоматизированное рабочее место оператора Система связи с роботизированными комплексами Карта маршрутов передвижения наземных роботов

Карта маршрутов полета БЛА

Расписание проведения сельскохозяйственных задач

Беспилотный летальный аппарат Наземная сервисная платформа

Режим функционирования Координаты Состояние аккумулятора Скорость БЛА Объем ресурсов контейнера Режим функционирования Координаты Скорость Состояние системы энергопитания Объем ресурсов контейнера Число обслуживаемых БЛА на платформе

Рис. 1. Концептуальная модель системы управления гетерогенными сельскохозяйственными роботизированными комплексами

Далее проанализируем функционирование автоматической системы обслуживания аккумулятора БЛА на наземной сервисной платформе. Возможно применение двух вариантов обслуживания: с зарядкой аккумулятора или с заменой на новый. Системы с заменой аккумулятора значительно сокращают время подготовки БЛА для нового полета и увеличивают общее число БЛА, находящихся одновременно в воздухе, но стоимость подобных сервисных станций высока из-за сложного механизма манипулирования аккумуляторами. Система подзарядки аккумуляторов имеет более низкую стоимость по сравнению с системой замены аккумулятора за счет минимизации механических узлов конструкции. Далее рассмотрим основные этапы.

На рисунке 2 показана графовая модель процесса взаимодействия гетерогенных робототехнических комплексов, где Тр обозначает суммарное время, которое все БЛА находятся в полете; Тк - суммарное время нахождения всех БЛА на платформе сервисного обслуживания; Тс - суммарное время зарядки всех аккумуляторов от разряженного до

Сельскохозяйственное пространство

Карты обрабатываемых угодий

Характеристики

сельскохозяйственной

культуры

Роботизированные

сельскохозяйственные

задачи

Нормативы выполнения

сельскохозяйственных

задач

Погодные условия

Intellectual Technologies on Transport. 2019. N0 3

полного; Т1 - суммарное время простоя всех БЛА, при котором аккумулятор не расходуется. Также следует выделить четыре основных цикла: цикл работы БЛА (¿илу), цикл работы сервисной платформы (¿рьлг), цикл обслуживания аккумулятора (¿Влгг) и цикл работы зарядного устройства (¿сея). Определим длительность всех циклов:

тр + тя + т,

ьилу

ЬРЬАТ

ииАу _ тя _

NРЬАТ

Тс + Тк

ЬВАТТ

NВАТТ ^иАу

Тр

ТЬсся м

ССй

где ^иАУ,ИР1АТ,ИВАТТ, Исск - количество БЛА, сервисных платформ, аккумуляторов (всего, в том числе на БЛА и на платформах) и зарядных устройств соответственно.

Рис. 2. Графовая модель взаимодействия БЛА с платформой, осуществляющей замену аккумулятора

В работе [14] обосновывается, что минимальное время цикла (максимальная производительность) системы составляет:

Тсус = тах{Т1илу, ТЬр1АТ, Т1ватт, Т1ссв\.

Таким образом, каждый раз обслуживание аккумулятора требует времени Тсгс. Коэффициент эффективности сервисного обслуживания БЛА определяется отношением времени его нахождения в воздухе ко времени зарядки на сервисной платформе:

_ т"

Сгуг — ~ ■

Рассмотрим пример системы обслуживания БЛА, состоящей из 2 БЛА и одной платформы со следующими параметрами: ТР = 20 мин, Тк = 3 мин и Тс = 0 мин (поскольку производится замена аккумулятора, а не зарядка).

Установим, что Т, = 0;Л/ССЙ = 2; МиАУ = 2; МВАТТ = 100, тогда длительности циклов будут равны:

Тр + Тк + Т, 20 + 3 + 0

ЬЦАУ

N..

ЬРЬАТ

тп - 3 - з

NРЬАТ 1

Тг + Т„

'ЬВАТТ

Тр

0 + 3 100-2

= 1,5.

= 0,03;

Минимальное время цикла (максимальная производительность) системы составляет:

Тсгс = тьиАУ = И'5-

Коэффициент эффективности сервисного обслуживания БЛА

Тр 20

Огс — '

ТСус 11,5

= 1,74.

Рассмотрим пример системы обслуживания БЛА, состоящей из 4 БЛА и одной платформы, со следующими параметрами: Тр = 20 мин, Тк = 3 мин и Тс = 0 мин.

Установим, что Т, = 0; Л/ССЙ = 4; ИиАУ = 4; МВАТТ = 100, тогда длительности циклов будут равны:

Тр + Тк + Т1 20 + 3 + 0

1ИАУ

= 5,75;

илу

ЬВАТТ

ЬРЬАТ

Тс + Тк

^ВАТТ ~ ^иАУ

МрьАТ 1

Ыг

0 + 3 100-4

■= 1.

= 0,03;

Минимальное время цикла системы составляет: Тсгс = ТьиАУ = 5,75.

Тогда коэффициент эффективности сервисного обслуживания БЛА будет

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Тр 20 Ссгс = —^ = == = 3,48.

СУС ТС¥С 5,75 '

Таким образом, с увеличением количества активных БЛА возрастает коэффициент эффективности сервисного обслуживания БЛА. Также с увеличением числа единиц привлекаемой техники возрастает скорость обработки

сельскохозяйственного угодья, однако это сказывается и на себестоимости конечной продукции. Поэтому здесь следует находить компромисс между стоимостью и скоростью обработки в зависимости от прогнозируемых погодных условий и других аспектов аграрной деятельности.

На рисунке 3 показан пользовательский интерфейс разработанной программы AgroBotModeling, визуализирую-

щей процесс моделирования обработки сельскохозяйственного угодья с различным числом платформ и БЛА. Интерфейс содержит четыре основных блока, отражающих параметры угодья, платформы и БЛА, а также элементы управления и индикации прошедшего времени.

1 AgroBotModeling

Параметры обрабатываемого угодия 5_о)<тах) | 100 АБ | 1

Общая площадь обрабатываемого угодия Площадь, обрабатываемая БПАза Общая площадь обрабатываемого угодия

Текущее время I: 57 Состояние: Работа выполнена

Start

Параметры платформ

е_Р{тах) г_Р(тах) e_P(min)

Количество платформ

Максимальный объем энергетических ресурсов сервисной платформы Максимальный объем Физических ресурсов сервисной платформы Минимальный объем энергетических ресурсов сервисной платформы, необходимый для гарантированного возврата платформы на центральную базу

Текущие параметры сервисной платформы

Платтрормы 1

f it) t ЗМ

и*) ^MZ 100

Платформы 2

е_РС) С 500

Г_Р«> 200

Платформы 3

500

Г_Р») 200

Платформы 4

е_Р(> С 500

Г_Р«) 200

Параметры БЛА e_U(max) Q r_U<max) Q e_U(min)

Количество БЛА

Максимальный объем заряда аккумулятора БЛА Максимальный объем контейнера БЛА Минимальный объем заряда аккумулятора БЛА, необходимый для гарантированного возврата на платформу

О БЛА не будут запускаться, если предыдущие БЛА

может завершить работу в последний рейс о Одновременное обслуживание аккумулятора и контейнера ресурсов БЛА

Текущие параметы БЛА

БЛА 1

e_U<>) 20

r_U|) 10

Сост Транспортировка

БЛА 2

e_U() 20

r_U«) Ю

Сост Транспортировка

БЛАЗ

e_U{t) 20

r_U(t) Ю

Сост Транспортировка

БЛА 7 r_Ud)

Состояние

ЕЛА 4

r_Uft) 10

Сост Транспортировка

Рис. 3. Пользовательский интерфейс программы AgroBotModeling

Блок сельскохозяйственного угодья позволяет ввести начальные значения следующих параметров: 1) общая площадь обрабатываемого угодья; 2) площадь, обрабатываемая одним БЛА за время А! Также в блоке отображается текущее значение обработанной площади угодья.

В блоке сервисных наземных платформ задаются начальные значения следующих параметров: 1) количество платформ, используемых в обработке угодья; 2) максимальный объем энергетических ресурсов, размещаемых на одной сервисной платформе; 2) максимальный объем физических ресурсов, размещаемых на одной сервисной платформе. Также отображаются текущие значения следующих параметров: 1) объем оставшихся энергетических ресурсов на сервисной платформе; 2) объем оставшихся физических ресурсов на сервисной платформе.

В блоке БЛА задаются начальные значения следующих параметров: 1) количество БЛА, транспортируемых на одной сервисной платформе; 2) максимальный объем заряда аккумулятора БЛА; 3) максимальный объем контейнера с физическими ресурсами на БЛА; 4) набор опций, влияющих на порядок функционирования БЛА. Также отобража-

ются текущие значения следующих параметров: 1) оставшийся заряд аккумулятора БЛА; 2) оставшийся объем физических ресурсов на БЛА; 3) текущий режим функционирования БЛА.

Число блоков платформ и БЛА может меняться в зависимости от первоначально заданных значений. На рисунке 4 представлены примеры диалоговых окон, где производится упрощенная визуализация процесса движения платформ и БЛА по обрабатываемому сельскохозяйственному угодью.

БЛА представлен в виде синего круга, сервисная платформа обозначена красным кругом, обрабатываемый аграрный объект - зеленым кругом. Кроме того, отображается текущий заряд аккумулятора БЛА и направление движения БЛА.

В дальнейшем планируется произвести интеграцию расчетной и визуализационной частей программы, а также, используя стоимостные критерии, предложенные в работе [15], модификацию разработанных программных средств для многокритериальной оценки количества необходимой техники для обработки сельскохозяйственного угодья.

Рис. 4. Визуализация работы БЛА и платформы

Заключение

Представленное модельно-алгоритмическое обеспечение управления взаимодействием гетерогенных сельскохозяйственных роботизированных комплексов разработано с целью увеличения времени функционирования беспилотных летательных аппаратов в длительных автономных работах на сельскохозяйственных угодьях. Разработанная программа позволяет провести моделирование и визуализацию процесса взаимодействия разного количества платформ и беспилотных летательных аппаратов при решении аграрных задач на сельскохозяйственных угодьях различной площади. Моделирование количества используемой техники для обработки заданной площади позволяет выбрать оптимальное значение в зависимости от прогнозируемых погодных условий и других аспектов аграрной деятельности, влияющих на расчет себестоимости конечной продукции.

Библиографический список

1. Андреев В.П. Метод информационного взаимодействия для систем распределённого управления в роботах с модульной архитектурой / В.П. Андреев, П.Ф. Плетенев // Труды СПИИРАН. - 2018. - № 2 (57). - C. 134-160. -http://doi.Org/10.15622/sp.57.6.

2. Лавренов P.O. Разработка и имплементация сплайн-алгоритма планирования пути в среде ROS/Gazebo / P.O. Лавренов, Е.А. Магид, Ф. Мацуно, М.М. Свинин, Д. Сутакорн // Труды СПИИРАН. - 2019. - Т. 18, № 1. - C. 57-84. -http://doi.org/10.15622/sp.18.1.57-84.

3. Ватаманюк И.В. Реконфигурация пространственного положения роя роботов / И.В. Ватаманюк, Г.Ю. Панина,

A.Л. Ронжин // Управление Большими Системами. - 2015. -Вып. 58. - С. 285-305.

4. By Д.К. Обзор робототехнических захватов для физических манипуляций с аграрной продукцией / Д.К. By, О.Я. Соленая, А.Л. Ронжин // Тракторы и сельхозмашины. -2017. - № 12. - С. 14-24.

5. Ронжин А.Л. Анализ проблем разработки беспилотных летательных манипуляторов и физического взаимодействия БЛА с наземными объектами / АЛ. Ронжин,

B.В. Нгуен, О.Я. Соленая // Труды МАИ. - 2018. - № 98. -URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=90439.

6. Нго Т.К. Анализ подвижных роботизированных платформ для обслуживания аккумуляторов беспилотных летательных аппаратов / Т.К. Нго, О.Я. Соленая, АЛ. Ронжин // Труды МАИ. - 2017. - № 95. - URL: http://trudymai.ru/ published.php?ID=84444.

7. By Д.К. Анализ задач аграрной робототехники, решаемых посредством беспилотных летательных аппаратов / Д.К. By, В.В. Нгуен, О.Я. Соленая, АЛ. Ронжин // Агрофизика. - 2017. - № 3. - С. 57-65.

8. Maini P., Sujit P.B. On Cooperation Between a Fuel Constrained UAV and a Refueling UGV for Large Scale Mapping Applications, In: 2015 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), 9-12 June 2015, Denver, CO. -Pp. 1370-1377. - http://doi.org/10.1109/ICUAS.2015.7152432.

9. Zhang K., Lu L., Lei C., Zhu H., Ouyang Y. Dynamic Operations and Pricing of Electric Unmanned Aerial Vehicle Systems and Power Networks, Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 2018, Vol. 92. - Pp. 472-485. http://doi.org/10.1016/j.trc.2018.05.011.

10. Фетисов В. С. Автоматические сервисные станции для обслуживания электрических беспилотных летательных аппаратов : монография / B.C. Фетисов, А.Е. Артемьев, Д.Ф. Муфаззалов / Уфимский гос. авиац. техн. ун-т. - М. : Инновационное машиностроение, 2017. - 252 с.

11. Солёная О.Я. Анализ требований и ограничений мобильных электромеханических систем обслуживания аккумуляторов беспилотных летательных аппаратов / О.Я. Солёная, Т.К. Нго, А.Л. Ронжин // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. - 2017. - Т. 159. - № 4. - С. 42-48.

12. Яковлев Р.Н. Параметры и алгоритмы управления динамическим механическим движением многозвенных робототехнических систем / Р.Н. Яковлев, П.М. Черно-усова, К. Д. Крестовников, А.В. Денисов // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. - 2018. - № 6-3 (86). - С. 227-242.

13. Нго Т.К. Функциональная модель взаимодействия БЛА с наземной роботизированной платформой при решении сельскохозяйственных задач / Т.К. Нго, В.В. Нгуен, И.Ю. Харьков, Е.Е. Усина, О.О. Шумская // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. - 2018. - № 6-3 (86). -

C. 41-50.

14. Suzuki K. A. O., Filho P.K., Morrison J.R. Automatic Battery Replacement System for UAVs: Analysis and Design,

Journal of Intelligent & Robotic Systems, 2012, Vol. 65, Is. 1-4. -Pp. 563-586. - http://doi.org/10.1007/s10846-011-9616-y. Фетисов B.C., Ахмеров Ш.Р. Сравнительная характеристика автоматических зарядных и обменно-зарядных станций для обслуживания малых электрических беспилотных летательных аппаратов // Авиакосмическое приборостроение. - 2019. - № 2. С. 3-10.

Conceptual and Graph Models of Interaction of Unmanned Aerial Vehicle with Ground Robotic

Service Platform

PhD student, T.Q. Ngo St. Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, St. Petersburg, Russia [email protected]

Abstract. The task of increasing the operating time of unmanned aerial vehicles in solving agricultural operations is considered. Several approaches to charge or replace onboard batteries on the accompanying robotic platform are analyzed. The existing prototypes of service robotic platforms are distinguished by the complexity of the internal mechanisms, the speed of service, the algorithms of the platform and unmanned aerial vehicles working together during landing and battery maintenance. Conceptual and graph models of the interaction of an unmanned aerial vehicle with a ground platform that performs the functions of their transportation and maintenance are proposed. Preliminary calculations have been performed and a program has been created for modeling and visualizing the process of interaction between several platforms and unmanned aerial vehicles during the processing of agricultural objects.

Keywords: robotic service platforms, unmanned aerial vehicles, battery charging systems, battery replacement systems, agricultural robotics.

References

1. Andreev V.P., Pletenev P.F. Method of Information Interaction for Distributed Control Systems of Robots with Modular Architecture [Metod informatsionnogo vzaimodeystviya dlya sistem raspredelennogo upravleniya v robotakh s mod-ul'noy arkhitekturoy], SPIIRAS Proceeding [Trudy SPIIRAN], 2018, No. 2 (57). - Pp. 134-160. http://doi.org/10.15622/sp.57.6.

2. Lavrenov R.O., Magid E.A., Matsuno F., Svinin M.M., Suthakorn J. Development and Implementation of Spline Based Path Planning Algorithm in ROS/Gazebo Environment [Razrabotka i implementatsiya splayn-algoritma planirovaniya puti v srede ROS/Gazebo], SPIIRAS Proceeding [Trudy SPIIRAN], 2019, Vol. 18, No. 1. - Pp. 57-84. http://doi.org/10.15622/sp.18.L57-84.

3. Vatamaniuk I.V., Panina G.Yu., Ronzhin A.L. Reconfiguration of Robot Swarm Formation [Rekonfiguratsiya pros-transtvennogo polozheniya roya robotov], Large System Management [Upravlenie Bol'shimi Sistemami], 2015, Is. 58. -Pp. 285-305.

4. Vu D.Q., Solenaya O.Ya., Ronzhin A.L. Over-View of Robotic Grippers for Physical Manipulation with Agricultural Products [Obzor robototekhnicheskikh zakhvatov dlya fizi-cheskikh manipulyatsiy s agrarnoy produktsiey], Tractors and Agricultural Machinery [Traktory i sel'khozmashiny], 2017, No. 12. - Pp. 14-24.

5. Ronzhin A.L., Nguen V.V., Solenaya O.Ya. Analysis of the Problems of Unmanned Flying Manipulators Development and UAV Physical Interaction with Ground Objects [Analiz problem razrabotki bespilotnykh letatel'nykh manipulyatorov i fizicheskogo vzaimodeystviya BLA s nazemnymi obektami], Trudy MAI [Trudy MAI], 2018, No. 98. Available at: http ://trudymai. ru/published.php?ID=90439.

6. Ngo T.Q., Solenaya O.Ya., Ronzhin A.L. Analysis of Mobile Robotic Platforms Used to Batteries Service of Unmanned Aerial Vehicles in Autonomous Missions [Analiz podvizhnykh robotizirovannykh platform dlya obsluzhivaniya akkumulyatorov bespilotnykh letatel'nykh apparatov], Trudy MAI [Trudy MAI], 2017, No. 95. Available at: http ://trudymai. ru/published.php?ID=84444.

7. Vu D.Q., Nguyen V.V., Solenaya O.Ya., Ronzhin A.L. Analysis of Agricultury Robotics Tasks Solved by Using Unmanned Aerial Vehicles [Analiz zadach agrarnoy roboto-tekhniki, reshaemykh posredstvom bespilotnykh letatel'nykh apparatov], Agrophysics [Agrofizika], 2017, No. 3. - Pp. 57-65.

8. Maini P., Sujit P.B. On Cooperation Between a Fuel Constrained UAV and a Refueling UGV for Large Scale Mapping Applications, In: 2015 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), 9-12 June 2015, Denver, CO. -Pp. 1370-1377. - http://doi.org/10.1109/ICUAS.2015.7152432.

9. Zhang K., Lu L., Lei C., Zhu H., Ouyang Y. Dynamic Operations and Pricing of Electric Unmanned Aerial Vehicle Systems and Power Networks, Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 2018, Vol. 92, Pp. 472-485. -http://doi.org/10.1016/j.trc.2018.05.011.

10. Fetisov V.S., Artemyev A.E., Mufazzalov D.F. Automatic service stations for maintenance of electric unmanned aerial vehicles: Monograph [Avtomaticheskie servisnye stantsii dlya obsluzhivaniya elektricheskikh bespilotnykh letatel'nykh apparatov: Monografiya], Moscow, Innovative Engineering Publishing House, 2017. - 252 p.

11. Solenaya O.Ya., Ngo T.Q., Ronzhin A.L. Analysis of Requirements and Limitations for Mobile Electromechanical Service Systems of Storage Batteries of Unmanned Aerial Vehicles [Analiz trebovaniy i ogranicheniy mobil'nykh el-ektromekhanicheskikh sistem obsluzhivaniya akkumulyatorov bespilotnykh letatel'nykh apparatov], Electromechanical Matters. VNIIEM Studies [Voprosy elektromekhaniki. Trudy VNIIEM], 2017, Vol. 159, No. 4. - Pp. 42-48.

12. Yakovlev R.N., Chernousova P.M., Krestovnikov K.D., Denisov A.V. Parameters and Control Algorithms for Dynamic Mechanical Motion of The Multi-Link Robotic Systems [Para-metry i algoritmy upravleniya dinamicheskim mekhanicheskim dvizheniem mnogozvennykh robototekhnicheskikh sistem], Proceedings of the Kabardino-Balkarian Research Center of the RAS [Izvestiya Kabardino-Balkarskogo nauchnogo tsentra RAN], 2018, No. 6-3 (86). - Pp. 227-242.

13. Ngo T.Q. Nguyen V.V., Kharkov I.Yu., Usina E.E., Shumskaya O.O. Functional Model of Interaction Between an UAV and a Land-Based Robotic Platform in Agricultural Tasks [Funktsional'naya model' vzaimodeystviya BLA s nazemnoy robotizirovannoy platformoy pri reshenii sel'skohozyaystven-nykh zadach], Proceedings of the Kabardino-Balkarian Research Center of the RAS [Izvestiya Kabardino-Balkarskogo nauchnogo tsentra RAN], 2018, No. 6-3 (86). - Pp. 41-50.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

14. Suzuki K. A. O., Filho P.K., Morrison J.R. Automatic Battery Replacement System for UAVs: Analysis and Design, Journal of Intelligent & Robotic Systems, 2012, Vol. 65, Is. 1-4. -Pp. 563-586. - http://doi.org/10.1007/s10846-011-9616-y.

15. Fetisov V.S., Akhmerov Sh.R. Comparative Estimation of Automatic Charging and Exchange-Charging Stations for Maintenance of Small Electric Unmanned Aerial Vehicles [Sravnitel'naya kharakteristika avtomaticheskikh zaryadnykh i obmenno-zaryadnyh stantsiy dlya obsluzhivaniya malykh el-ektricheskikh bespilotnykh letatel'nykh apparatov], Aerospace Instrument-Making [Aviakosmicheskoe priborostroenie], 2019, No. 2. - Pp. 3-10.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.