Планирование траекторий летательных аппаратов в составе беспилотного авиационного комплекса Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Решетневскуе чтения. 2013

УДК 681.51

ПЛАНИРОВАНИЕ ТРАЕКТОРИЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В СОСТАВЕ БЕСПИЛОТНОГО АВИАЦИОННОГО КОМПЛЕКСА

Л. М. Неугодникова

Уфимский государственный авиационный технический университет Россия, 450000, г. Уфа, ул. Карла Маркса, 12. Е-mail: [email protected]

Рассматривается структура процесса построения траекторий для разнородных компонентов в составе беспилотного авиационного комплекса. Для этого предлагается разбить весь сеанс функционирования комплекса на типовые ситуации, в рамках которых каждый компонент выбирает свое очередное действие строго в определенной, установленной для него очереди. При этом каждый последующий компонент должен учитывать действия предыдущих.

Ключевые слова: беспилотный авиационный комплекс, управление группой, планирование траекторий.

AERIAL VEHICLE TRAJECTORY PLANNING IN THE UNMANNED AVIATION COMPLEX

L. M. Neugodnikova

Ufa State Aviation Technical University 12, Karla Marksa str., Ufa, 450000, Russia. Е-mail: [email protected]

The structure of the process to construct trajectories for dissimilar components in an unmanned aviation complex is considered. It is proposed to divide the entire operation session into typical situations in which each component selects its next action in a strictly defined order. Thus, each subsequent component must take into account the actions of the previous ones.

Keywords: unmanned aviation complex, control of a group, planning trajectories.

Рассмотрим гипотетический информационный беспилотный авиационный комплекс (БАК), состоящий из двух беспилотных летательных аппаратов (БЛА) самолетного и вертолетного типа и мобильной наземной системы управления (НСУ), построенной на базе автомобиля. Задачей комплекса является проведение топографической съемки некоторой исполнительной зоны (ИЗ), содержащей заранее неизвестное число областей малой площади со сложным рельефом, съемку которых нужно выполнить более тщательно. БЛА1 (самолетного типа) может использоваться для съемки всей ИЗ (обозначим ее ИЗ1) и поиска областей со сложным рельефом (ИЗ2), съемка которых будет производиться БЛА2 (вертолетного типа). Требуется выполнить задачу максимально быстро, поэтому как только БЛА1 будет обнаружена первая ИЗ2, НСУ необходимо переместиться к ней и начать ее исследование с помощью БЛА2. При этом для поддержания стабильности связи между БЛА1 и НСУ расстояние между ними не должно превышать некоторое заданное значение на протяжении всего времени работы комплекса.

Для решения возникающей задачи управления тремя мобильными объектами предлагается подход, аналогичный рассмотренному в [1]. Весь сеанс функционирования комплекса разбивается на несколько типовых ситуаций (ТС), в рамках которых требуется выполнение отдельных подцелей глобальной задачи.

Определение текущей ТС в системе «БАК-среда» должно происходить на основе информации о состоя-

нии всех компонентов комплекса, состоянии среды и текущей цели каждого из активных компонентов, т. е. ситуационного вектора.

Для успешного определения текущей типовой ситуации нужно ответить на следующие вопросы (для каждого компонента).

1. В чем заключается основная задача (назначение) компонента?

2. Выполняется ли задание (команда), или компонент находится в режиме ожидания?

3. Каково техническое состояние (исправность) и временной ресурс компонента?

4. Каковы текущие координаты и вектор скорости компонента?

5. Каков коэффициент вовлечения компонента в выполнение своей задачи (1/д, где q - количество компонентов такого же типа, могущие заменить рассматриваемый при выполнении его задачи)?

Получив ответы на все эти вопросы для каждого из компонентов БАК, можно путем логических преобразований определить компонент, действия которого на данном промежутке времени наиболее важны для достижения глобальной цели комплекса (рис. 1). Кроме этого, входными сигналами на рис. 1 обозначена информация об окружающей среде и других необходимых параметрах компонентов БАК. Далее можно производить планирование оптимального (с точки зрения критерия оптимальности (У) данной ТС) участка траектории компонента на небольшой промежуток времени вперед. После этого можно при-

Информационно-управляющие системы

ступить к формированию траектории следующего компонента БАК с учетом рассчитанных действий первого (т. е. с учетом ограничений (Р), которые накладывают эти действия на остальной комплекс, прежде всего сюда относятся ограничения на максимальные расстояния между компонентами комплекса). Очередность расчета действий компонентов определяется текущей иерархией (Н) компонентов в каждой ТС. При этом необходимо предусмотреть возможность корректировки действий комплекса оператором через интерфейс.

Сначала определяется траектория полета БЛА2 (этим занимается оператор) и информация о принятых им действиях (перемещениях А{) передается на БЛА1 и НСУ (рис. 2). НСУ определяет свои перемещения (А2) с учетом координат БЛА2; например, при съемке протяженного объекта может иметь смысл параллельное перемещение НСУ и БЛА2, если это возможно.

Рис. 1. Схема процесса определения текущей типовой ситуации НСУ

Рассмотрим следующую ТС: БЛА1 выполняет поисковый полет и уже обнаружил минимум одну ИЗ2, исследование которой выполняется БЛА2; НСУ ожидает его возвращения. Все компоненты разнородные, каждый имеется в единственном числе и выполняет строго свою задачу, поэтому ответы на вопросы 1, 4 и 5 для них не будут отличаться. По п. 2, так как НСУ находится в режиме ожидания, то рассматривать следует БЛА1 и БЛА2. Поскольку согласно п. 3 летный ресурс летательных аппаратов резко различается (2,5-3 часа для БЛА1 и 25-35 мин для БЛА2 [2]), то очевидно, что первоначально следует планировать траекторию БЛА2, выполняющего подробную съемку ИЗ2. Его перемещениями управляет оператор, находящийся на НСУ или в непосредственной близости от нее.

Перемещения БЛА1 не зависят прямо от местоположения БЛА2, в отличие от НСУ, которая будет ожидать его возврата (завершения съемки).

С учетом требования о непревышении некоторого рекомендованного расстояния между БЛА1 и НСУ, перемещения БЛА1 можно считать зависимыми от местоположения НСУ (БЛА1 и НСУ равноправны при обеспечении заданного расстояния между ними, но так как НСУ «привязана» к БЛА2, пока он выполняет съемку, перемещения БЛА1 будут зависеть от нее). Таким образом, при планировании траекторий компонентов БАК нужно соблюдать следующий алгоритм.

Рис. 2. Организация вычислительного процесса в БАК с изменяемой иерархией

В это время БЛА1 продолжает поисковый полет (А3) в ИЗ1, но во избежание потери связи он не должен удаляться от НСУ более определенного расстояния. При этом информация о состоянии среды Е и компонентов S непрерывно передается между всеми компонентами комплекса.

Таким образом, описанная очередность расчета траекторий компонентов БАК основывается на представлении о различной значимости действий разных компонентов при выполнении общей цели в рамках каждой из определенных типовых ситуаций. Иными словами, планирование траекторий компонентов осуществляется по иерархическому принципу - сначала рассчитывается траектория наиболее важного (в рамках текущей ТС) компонента, затем траектория следующего, непосредственно зависящая от него, и т. д.

Библиографические ссылки

1. Васильев С. Н., Жерлов А. К., Федосов Е. А., Федунов Б. Е. Интеллектное управление динамическими системами. М. : Физматлит, 2000. 352 с.

2. Группа компаний ZALA AERO [Электронный ресурс]. URL: http://zala.aero/category/production/bla/ (15.09.2013).

References

1. Vasilev S. N., Zherlov A. K., Fedosov E. A., Fedunov B. E. Intellektnoe upravlenie dinamicheskimi sistemami (Intelligent control of dynamic systems). M. : Fizmatlit, 2000. 352 p.

2. Gruppa kompanij (Group of companies) ZALA AERO [Electronic resource]. URL: http ://zala.aero/category/production/bla/ (12.08.2013).

© Неугодникова Л. М., 2013