CC BY
34
Оптимiзацiя траектори польоту безпiлотного лiтального апарату Optimization of the Flight Path of an Unmanned Aerial Vehicle
Анотащя. У статт проведено характеристику особливостей on™Mi3a^f траекторГГ польоту безпiлотного лiтального апарату. У робот здiйснено аналiз складу та призначення основного обладнання i корисного навантаження безтлотного лiтального апарату. Зокрема, звертаеться увага на основы вимоги, як сьогоднi ставляться до безтлотного л^ального апарату.
Ключовi слова: безтлотний авiацiйний комплекс; безпiлотний лгальний апарат; система автоматизованого управлiння; корисне навантаження; оптимiзацiя.
Abstract. The article describes the features of optimizing the flight path of an unmanned aerial vehicle. The paper analyzes the composition and designation of main equipment and payload of unmanned aerial vehicle. In particular, attention is drawn to the basic requirements that relate to the unmanned aerial vehicle today.
Keywords: unmanned aviation complex; unmanned aerial vehicle; automated control system; payload; optimization.
BacMAb MuKnyxa 1, HaTanrn XiMHMK 1 Vasyl Myklukha, Nataliia Khimchyk
1 Zhytomyr Military Institute named after S. P. Koroljov 22 Prospekt Myru, Zhytomyr, 10004, Ukraine
DOI: 10.22178/pos.26-5
LCC Subject Category: QA76.75-76.765
Received 12.08.2017 Accepted 17.09.2017 Published online 24.09.2017
Corresponding Author: Vasyl Myklukha profa2014@i.ua
© 2017 The Authors. This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License ЮУ
ВСТУП
У даний час у свгговш практищ склалася тен-денцiя до широкого використання безтлот-них лiтальних апаратiв (БПЛА) у цивiльних областях, наприклад, для виршення завдань екологiчного монiторингу, дистанцшного зо-ндування поверхнi Землi, спостереження за об'ектами транспортно! iнфраструктури i т. п. При цьому рух безпiлотних лiтальних апара-тiв може вщбуватися в рiзноманiтних склад-них умовах рельефу мкцевост^ в мкькому середовищi (серед будiвель), в умовах прсь-кого рельефу, над пустельним, лкопарковим, водним середовищем i т. д. З бурхливим роз-витком безпiлотних лiтальних апара^в, зда-тним рухатися в умовах складного рельефу, завдання планування у реальному режимi часу траектори польоту стае все быьш актуаль-ним i привабливим [5].
Завданням планування траекторш руху в останш десятилiття придiляеться велика увага. Вона формулюеться як задача пошуку
траектори динамiчноi' системи, що задоволь-няе заданим граничним умовам, рух по якш мiнiмiзуеться деяким функцiоналом якосп, визначае термiнальний промах або характе-ризуе iнтегральний ризик.
Однак на практищ не завжди вдаеться фор-малiзувати всi вимоги, що пред'являються до динамiки функцiонування системи у виглядi одного функцiоналу, а отримання ршення щодо вибору оптимальних траекторш польоту безтлотних лiтальних апара^в вимагае громiздких обчислень [7].
Детальному аналiзу, класифiкацГi, цiльовому призначенню, як у вшськовому, так i цивильному сегментi, сучасним розробкам, дизайну, еволюци безпiлотних авiацiйних систем (БАС) присвячено працю [2]. У статт [7] наведено мiжнародну класифiкацiю безтлотних лгга-льних апаратiв, проведено аналiз безпiлотних лiтальних апаратiв iноземного виробництва (Unmanned Aerial Vehicles, UAV), зокрема при застосуванш в лiсовому секторь
Багато робгг присвячеш штелектуальному керуванню безпiлотними апаратами, зокре-ма, використання машинного навчання широко розглянуте в працях G. Chowdhary, M. Lazar, F. Lewis, N. Nguyen.
Розвиток сучасних i перспективних техноло-гiй дозволяе сьогодш безпiлотним лiтальним апаратам успiшно виконувати функцп, якi у минулому виконувалися шшими силами та засобами. Результати аналiзу антитерорис-тично'1 операцй' на Сходi Укра'ни показують високу ефектившсть застосування безшлот-них лiтальних апара^в при виконаннi за-вдань ведення спостереження, розвщки, щ-левказiвки, РЕБ, коригування вогню [4].
Безпiлотнi засоби оснащуються ультразвуко-вими сенсорами, радарними датчиками, ла-зерними локаторами i видеокамерами. В да-ний час таю технологи оснащення безтлот-них засобiв поки не широко застосовуються в Укра'ш.
Широке застосування знайшли безпiлотнi лiтальнi апарати, призначенi для автомати-зованого монiторингу розвiдки, загального навколишнього середовища, поверхнi i т. д.
Управлшня польотом безпiлотного легального апарату здiйснюеться дистанцiйно з наземного пункту по радюканалу або з допомо-гою системи автоматичного управлшня (САУ). При використанш системи автоматичного управлiння у пам'ять бортово'' системи вводиться маршрут польоту, наприклад, у виглядi координат промiжних пунктiв або координат щль
Отже, для роботи в автоматичному режимi бортовi обчислювачi повиннi оснащуватися вiдповiдними алгоритмами обробки i аналiзу зображень для вирiшення завдань стиснення вщеошформацп i пошуку об'ектiв.
Метою роботи е оптимiзацiя траекторй' польоту безтлотного лiтального апарату.
РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛ1ДЖЕНЬ
Безпiлотний лiтальний апарат у загальному випадку - це лiтальний апарат без еюпажу на борту. Спектр застосування безтлотного ль тального апарату досить широкий - автома-тичш лiтаки, вертольоти i дирижаблi здатш вести екологiчну розвiдку, монiторинг стану атмосфери, виконувати вимiри температури,
юшзуючого випромiнювання, виробляти за-бори проб Грунту з заражених територш i т.д. Шум вiд таких лпальних апаратiв набагато нижче, що особливо важливо при зйомцi в житлових районах [6].
Новi завдання, таю як ударш, транспортнi, монiторинг протяжних лшшних об'eктiв (ЛЕП, залiзнi дороги, трубопровщш системи) вимагають iстотного збыьшення крейсерсь-ко'1 швидкостi польоту i зл^но'' маси безтло-тного легального апарату. Зростання крей-серсько'' швидкосп необхiдне для збiльшення ефективностi безтлотного летального апарату як транспортно'' системи i зменшення часу реакцп, а збiльшення злпно! маси е наслщ-ком збiльшення тривалостi польоту i зрос-тання номенклатури i маси корисного наван-таження. Наприклад, ршення задачi надання повноцiнних ударних можливостей для без-пiлотного лiтального апарату RQ-1 Predator в юнцевому шдсумку вимагало збiльшення швидкостi польоту легального апарату в 2 рази, злiтноi' ваги в 4 рази, потужносп силово'' установки в 9 разiв i призвело до створення нового безтлотного лiтального апарату MQ-9A Reaper (Predator B). Масу корисного нава-нтаження при цьому було зб^льшено у 6 разiв. Тривалiсть польоту i склад БРЕО не зазнали значних змш [2].
3i зростанням зл^но'' маси i швидкостi польоту основнi технiчнi переваги безтлот-них лiтальних апаратiв починають слабшати. Катапультнi системи старту стають величез-ного розмiру, рiзко зб^льшуеться 'х склад-нiсть та вимоги з техшчного обслуговування.
Посадочнi системи потребують видiлення значних об'емiв планера i також стають над-мiрно складними i вимогливими до техшчного обслуговування. При цьому надшшсть таких посадкових систем залишае бажати кра-щого. Складнi системи м'яко'' посадки не за-безпечують необхiдного рiвня збереження бортово'' електронно'' апаратури з планера безпiлотного лiтального апарату.
Для безпiлотних лiтальних апара^в одним з найбiльш важливих показником ефективнос-тi е його розмiри. Оскiльки для безпiлотного лiтального апарату важлива мобiльнiсть, використання габаритних систем нав^ацп стае неможливим. З щею метою використовують MEMS системи. Але, не дивлячись на те, що таю системи надають достатню моб^льн^ть, вони не досить точш [8].
Безтлотш лнальш апарати використовують для аерофотозйомки, тому дощльним е тд-вищення ще'' якосп. Зокрема, ми пропонуемо використовувати багатофункщональну бор-тову радiолокацiйну систему для безтлотно-го лiтального апарату, яка допоможе покра-щити якiсть зображення простору.
Можливосп радюлокацшно'' апаратури ви-значаються видiленими ресурсами маси, га-баритiв i споживано'' потужностi i зростають при переходi вiд безтлотного лiтального апарату середнього класу до тяжких безтло-тних лiтальних апара^в.
В якостi основного методу огляду простору застосовуеться бiчний огляд iз синтезом апе-ртури (РСА) за рахунок руху безпiлотного ль тального апарату, який забезпечуе найбыьшу шформатившсть радiолокацiйного зображення (РЛ1). Iншi функцй' радюлокацшно'' си-стеми реалiзуються шляхом пристосування апаратури РСА до виконання додаткових за-вдань. Наприклад, при мехашчному розворотi антени за напрямом польоту можливий огляд в переднш пiвсферi [5].
Радiолокатори, що встановлюються на безт-лотному л^альному апаратi, можуть бути як спецiалiзованими, так i унiверсальними. Наприклад, безтлотний лiтальний апарат Heron оснащений РСА для виршення задачi мошторингу морсько'' поверхнi за допомогою локатора Elta EL/M-2022U Maritime Patrol Radar. Iншi мають у своему складi РСА EL/M-2055 SAR/MTI для спостереження сушь Тех-нiчна реалiзацiя спецiалiзованих РСА просп-ше. Разом з тим на рядi шших безпiлотних лiтальних апаратiв встановлюються багато-функцiональнi радiолокацiйнi комплекси, що забезпечують ршення обох задач (приклад -РСА AN/APY-8 Lynx для безтлотного легального апарату Reaper).
До сказаного необхщно додати, що цiльовi характеристики РСА, таю як смуга огляду, просторова роздыьна здатшсть по дальносп i за азимуту, у виршальнш мiрi залежать вiд умов спостереження (висоти польоту, шляхо-вий швидкосп) i вiд якостi навтацшно-го/мiкронавiгацiйного забезпечення. При цьому важливо зазначити, що найвища просторова роздыьна здатнiсть досягаеться при польот на малих висотах i при вщносно ма-лих дальностях до щль
Навпаки, широка смуга огляду при помiрному просторовому вирiшеннi забезпечуеться на великих висотах i максимальних дальностях. Радiолокаторiв, у яких в одному i тому ж ре-жимi спостереження гранично висока просторова роздыьна здатнiсть поеднуеться з гранично широкою смугою огляду, не вияв-лено.
1люстращею наведеного факту може служити радiолокатор з синтезованою апертурою, встановлений на безтлотний л^альний апарат Predator, де заявлена просторова роздь льна здатшсть по дальносп i за азимуту, що дорiвнюе 1 м, забезпечуеться в смузi огляду шириною не быьше 800-1000 м [2].
Продуктившсть цифрово'' камери при аеро-фотознiманню виражаеться в необхщнш кi-лькостi знiмкiв на один юлометр квадратний (кв. км) територп. Висока продуктивнiсть бу-де у камери з меншою юльюстю знiмкiв на кв. км. Для розрахунку кiлькостi знiмкiв на один кв. км. необхщно обчислити оптималь-ну вщстань мiж маршрутами аерофотозйомки i центрами фотографування (ц. ф.) на ма-ршрутi.
Вщстань мiж маршрутами аерофотозйомки i ц. ф. на маршруп розраховуеться з урахуван-ням точностi ГЛОНАСС/GPS нав^ацп i особ-ливостей пiлотування безтлотного легального апарату. Параметри утримання лiтака на маршрутi наступнi:
- поперечне змщення вiд осi маршруту ±10 м;
- утримання безтлотного лiтального апарату на запроектованш висо^ ±15 м;
- вiдстань вщ центру запроектованого фотографування до точки спрацьовування затвора фотоапарата ±5 м;
- змша кута крену безтлотного лп'ального апарату на маршруп мiж двома знiмками 10°;
- змша кута тангажа безтлотного лiтального апарату на маршруп мiж двома зшмками 6°.
Наведенi параметри польоту безтлотного лiтального апарату були отримаш в резуль-татi безлiчi пост обробки матерiалiв вироб-ничого та експериментального аерофотозш-мання.
Для розрахунку продуктивносп фотокамер необхiдно отримати максимально допустиму висоту фотографування при заданому масш-табi створюваного фотоплану. Зв'язок край-
нього розмфу п1кселя зшмка з М1сцев1стю показаний на рис. 1.
f\
ff I
yCtl \
\
s/Y H \
/ / D \
d
Рисунок 1 - Зв'язок p03Mipy шкселя 3HiMKa з мiсцевiстю
Примiтки: f - фокусна вiдстань камери в е^валент для 35 мм кадру; L - довжина половини дiагоналi матрицу для 35 мм кадру вона складе 21.6 мм; H - висота фотографування пщ час АФС; D - довжина половини дiагоналi зшмка на мюцевост
масштаб! створюваного фото-плану [5]. Роз-рахунок роздыьно! здатност1 зн1мка сл1д проводите для найбыьш в1ддалених вщ центру кадру. З рис. 1 слщуе (1)-(2):
S =
d *cos(/- ß)
sin X
H = S *
max
cosß.
(1)
(2)
Для забезпечення сущльного покриття земно! поверхн1 зшмками необх1дно врахувати максимальн1 в1дхилення безтлотного легального апарату в1д запроектованого маршруту. М1шмальне значення половини ширини захвату м1сцевост1 п1д час аерофотозйомки з урахуванням сукупност1 похибок нав1гацш-них даних i шлотування л1тального апарату обчислюеться за формулою (3):
А™ = (Нпол - 15м)* tg(b - 50) - 10м. (3)
Проектування аерофотозйомки дозволяе ви-користовувати отримаш данi в навiгацiйнiй програмi (рис. 2).
Величина крайнього пiкселiв зшмка на мк-цевостi не повинна перевищувати 0,07 мм в
Рисунок 2 - На
При управлшш безтлотним лггальним апа-ратом за допомогою нав^ацшно'1 програми, можна здшснювати полiт з запроектованими маршрутами. Виконання аерофотозйомки з запроектованими маршрутами дозволяе за-стосовувати для створення ортофотоплашв iснуючi цифровi фотограмметричнi станцИ (ЦФС), що ктотно скорочуе витрати на виконання робгг i створення спецiалiзованого програмного забезпечення.
Третя задача пов'язана з оперативною ощн-кою якосп матерiалiв аерофотознiмання. Для ще!' мети розроблено та впроваджено у виро-бництво програмне забезпечення у виглядi додатка до Г1С Mapinfo.
Програма за даними, отриманими з борту ль тального апарату в момент фотографування, будуе умовш рамки знiмкiв (рис. 3), за якими ощнюеться покриття задано! територп аеро-фотознiмками.
Рисунок 3 - Побудова умовних рамок зшмюв пщ час аерофотозйомки
Розроблена методика ощнки якостi аерофотозйомки дозволяе використовувати безш-лотнi лiтальнi надлегкi апарати як повнофу-нкцiональнi комплекси. Аерофотозйомки в
дшна програма
реальному час дозволяють уникнути повто-рних вшздв на вiдзнятi дiлянки.
Також досить важливим постае дистанцiйне керування безтлотним л^альним апаратом. Проведений аналiз систем управлшня показав, що дистанцшне керування включае гщ-ностi шших режимiв i полягае в передачi по команднiй радюлшп завдань для виконавчих механiзмiв.
Система дистанцiйного керування вщповщае за планування польотного завдання, форму-вання команд управлiння для системи автоматичного управлшня при змМ маршруту польоту пiлотом-оператором, налаштування параметрiв системи автоматичного управлшня, вiдображення телеметрично!' шформа-цп, аналiз польотних даних, а також управлшня корисним навантаженням безтлотно-го легального апарату. З боку тлота-оператора дистанцiйне керування зводиться до уточнення програми польоту на маршруту видачi разових команд в райош рiшення щ-льово!' задачi. Завдання формування команд при дистанцшному керуванш носить лопко-аналiтичний характер, вироблення единих правил визначення програми, параметрiв польоту в умовах невизначеносп е важкою задачею [6].
Таким чином, оперативна гнучюсть, здат-нiсть в режимi реального часу передавати ш-формацiю на вище стоячi рiвнi управлiння i своечасно на будь-якому еташ польоту отри-мувати необхщш данi для й аналiзу i прийн-яття рiшення, що обумовлюють дощльшсть використання дистанцiйного режиму управлшня. Дистанцшне керування оператором безшлотного летального апарату - це складна багатокритерiальна задача. Суперечливiсть вимог до результату прийнятих ршень, не-однозначшсть оцiнки ситуацй, помилки у ви-борi прiоритетiв ускладнюють процес прийн-яття рiшень
при управлiннi, не дозволяють ефективно обробляти шформащю i оперативно аналiзу-вати й для прийняття обГрунтованих рiшень.
Основнi завдання, як вирiшуються оператором при дистанцшному керуванш, носять ло-пко-анал^ичний характер, вимагають обГрунтованих оперативних ршень на основi одержувано'' фото- i вщеошформацй та скла-даються з:
- вироблення ршення на виконання дш по пошуку об'ектГв на пiдставi результатiв ана-лiзу подiй i рiвня наявних можливостей без-пiлотного лiтального апарату;
- виявлення, розшзнавання i визначення координат вибраного об'екта;
- використання принципу вибору об'екта за ступенем його важливосп i прюритетносп;
- прийому, переробки i аналiзу достовiрностi одержувано! шформацп по радюканалу;
- забезпечення сталого управлiння рухом безтлотного легального апарату за маршрутом, на якому очжуеться присутшсть вакан-сiй оператора об'ектiв;
- використання техшчних можливостей бор-тових пристро!в i систем безпiлотного лна-льного апарату;
- управлiння корисним навантаженням: управлшня лiнiею видимостi камери; напря-мами та контролю нахилу камери по осях; за-хоплення моментального зшмка, за-пам'ятовування i створення мгтки на тлi кар-ти; змша масштабу; змiна фокусування [2].
Оператор безтлотного лнального апарату в сучасних умовах ведення бойових дiй вико-нуе навiгацiйнi, аналiтичнi функцп, здшснюе процеси розшифровки фото i вщеошформацп та безпосередньо е особою, що приймае рь шення.
Необхiднi злагодженi i продуманi дп оператора, здшснення яких можна тГльки завдяки до-свГду, знанням з управлiння безшлотним ль тальним апаратом i дешифрування фото i вь део шформацп. ОсновнГ функцп спрямованГ
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ / REFERENCES
на забезпечення виконання типових операцш оператором, а ршення лопко-аналГтичних задач, пов'язаних з вибором об'екта за ступенем Ii важливосп, переробкою одержувано! по радюканалу шформацп, виробленням рь шення на виконання дш по пошуку об'ектГв з урахуванням рiвня наявних можливостей безтлотного легального апарату в умовах оперативного змши умов спостереження не виршеш i вимагають вщ оператора високо! квалГфжацп i штущп, оперативностi прийн-яття рiшень з управлшня безшлотним лгга-льним апаратом.
1снуе протирiччя мiж необхiднiстю своечас-ного вироблення достатньо обГрунтованих рекомендацiй щодо управлшня безшлотним лггальним апаратом в умовах невизначеносп, i обмеженими можливостями за кнуючих на-земних ПУ.
ВИСНОВКИ
Використання дистанцшного управлiння при управлшш безпiлотного лiтального апарату дозволяе своечасно приймати обГрунтоваш рiшення оператором в умовах невизначенос-тi, суперечливостi вхщно! iнформацii про об'екти, обмеженi можливосп безпiлотного лiтального апарату, складнiй завадовш ситу-ацй', маневрено!, вогнево!, шформацшно! про-тидГ! з сторони наземно! цiлi, значно! кiлько-стi параметрiв, значення багатьох з яких явно невизначеш. Знання експертiв дозволять сформувати едиш правила по управлiнню безшлотним л^альним апаратом при вирГ-шенш рГзних цГльових завдань в умовах не-визначеностГ.
1. Andreev, K. V. (2015). Optimal'nye traektorii bespilotnogo letatel'nogo apparata pri slezhenii za
podvizhnoj cel'ju s pomoshh'ju antennoj reshetki [The optimal trajectories of an unmanned aerial vehicle while tracking a mobile target using an antenna array]. Problemy upravlenija, 5, 76-83 (in Russian)
[Андреев, К. В. (2015). Оптимальные траектории беспилотного летательного аппарата при слежении за подвижной целью с помощью антенной решетки. Проблемы управления, 5, 76-83].
2. Degtjarev, Ju. I. (1980). Metody optmizacii (Optimization methods). Moscow: Sovetskoe radio (in
Russian)
[Дегтярев, Ю. И. (1980). Методы оптимизации. Москва: Советское радио].
3. Galushko, S. (2001). Bespilotnye letatel'nye apparaty kardinal'no izmenjat oblik aviacii budushhego
[Unmanned aerial vehicles will radically change the look of the future aviation]. Nauka i zhizn' 9, 18-20 (in Russian)
[Галушко, С. (2001). Беспилотные летательные аппараты кардинально изменят облик авиации будущего. Наука и жизнь, 9, 18-20].
4. Kharchenko, O. V., Kuleshyn, V. V., & Kotsurenko, Yu. V. (2005). Klasyfikatsiia ta tendentsii stvorennia
bezpilotnykh litalnykh aparativ viiskovoho pryznachennia [Classification and trends of the creation of unmanned aerial vehicles for military use]. Nauka i oborona, 1, 57-60 (in Ukrainian) [Харченко, О. В., Кулешин, В. В., & Коцуренко, Ю. В. (2005). Класифжащя та тенденцп створення безтлотних лггальних апара^в вiйськового призначення. Наука i оборона, 1, 57-60].
5. Kljuchka, Ju. P., Gasanov, H. Sh., & Krynskaja, N. V. (2014). Analiz primenenija teplovizorov pri
tushenii pozharov [Analysis of applying the thermal imagers for fire extinguishing]. Problemy pozharnoj bezopasnosti, 36, 109-116 (in Russian)
[Ключка, Ю. П., Гасанов, Х. Ш., & Крынская, Н. В. (2014). Анализ применения тепловизоров при тушении пожаров. Проблемы пожарной безопасности, 36, 109-116].
6. Krasil'shhikov, M. N., & Sebrjakov, G. G. (Red.). (2005). Upravlenie i navedenie bespilotnyh
manevrennyh letatel'nyh apparatov na osnove sovremennyh informacionnyh tehnologij [Management and guidance of unmanned aerial vehicles on the basis of modern information technologies]. Moscow: FIZMATLIT (in Russian)
[Красильщиков, М. Н., & Себряков, Г. Г. (Ред.). (2005). Управление и наведение беспилотных маневренных летательных аппаратов на основе современных информационных технологий. Москва: ФИЗМАТЛИТ].
7. Nikitin, S. K. (2013). Teplovizory kak sredstvo profilaktiki pozharov [Thermal imaging as a means of
preventing fires]. Algoritm bezopasnosti, 5, 60-61 (in Russian)
[Никитин, С. К. (2013). Тепловизоры как средство профилактики пожаров. Алгоритм безопасности, 5, 60-61].
8. Sovetov, B. Ja., & Jakovlev, S. A. (1998). Modelirovaniesistem [Simulation of systems]. Moscow:
Vysshaja shkola (in Russian)
[Советов, Б. Я., & Яковлев, С. А. (1998). Моделирование систем. Москва: Высшая школа].
