CC BY
44
ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА ПОИСКА ОПТИМАЛЬНОЙ ТРАЕКТОРИИ ПОЛЕТА БПЛА НАД ЗАДАННОЙ ТЕРРИТОРИЕЙ ПРИ ЛИКВИДАЦИИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ
Н.С. Шимон, к.т.н., А.В. Королев, Воронежский институт ГПС МЧС России, г. Воронеж
Тепловизионное обследование лесных массивов с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) позволяет картографировать лесные пожары и производить поиск пропавших людей [1]. Для организации сплошного сканирования лесных массивов целесообразно использовать предварительное планирование траектории полета БПЛА [2]. Выбор оптимальной траектории полета с использованием вычислительной техники позволяет уменьшить время сканирования на 20 ... 30 %, по сравнению с ручным ситуативным управлением, и исключить участки местности, не охваченные сканированием.
Ранее нами разработаны математические основы построения оптимальной траектории полета. Цель настоящей работы заключается в алгоритмической и программной реализации метода выбора оптимальной траектории полета БПЛА самолетного типа в зависимости от конфигурации исследуемого объекта, в частности, лесного массива.
В разработанном методе учитываются особенности БПЛА самолетного типа: высокая и приблизительно постоянная скорость полета вдоль траектории, совершение поворотов по траекториям большого радиуса. Для примера был выбран лесной массив у населенного пункта Князево Воронежской области. По спутниковой карте сервиса «Яндекс-Карты» восстановлена модель лесного массива в виде многоугольника. Для этого разработана компьютерная программа на языке Object Pascal в системе программирования Borland Delphi 7 (рис. 1, а).
б
Рис. 1. Интерфейсные формы разработанных программ: а - программа для задания области тепловизионного сканирования с БПЛА (контуры лесного массива); б - программа для поиска оптимальной траектории полета БПЛА самолетного типа при сканировании заданной области (показаны участки траектории и затемнена область сканирования)
С помощью данной программы оператор БПЛА может загрузить спутниковую карту или физическую карту местности и ограничить область сканирования - последовательной расстановкой точек задать конфигурацию
198
лесного массива.
Вторая разработанная программа (в той же системе программирования) реализует метод построения оптимальной траектории полета (рис. 1, б). С геометрической точки зрения траектория полета БПЛА представляет собой последовательность участков двух типов: отрезков и дуг окружности. Задача построения оптимальной траектории заключается в поиске такой комбинации линейных и дуговых участков, которая имела бы наименьшую длину (в приближении о постоянной скорости полета по участкам обоих типов), и при которой полоса сканирования полностью покрывала бы исследуемый многоугольник-лесной массив.
Поиск оптимальной комбинации участков траектории производится методом Монте-Карло (случайный выбор количества и параметров участков траектории) с использованием алгоритма покоординатного спуска для уточнения параметров участков траектории [3, 4]. При количестве начальных вариантов траектории порядка 200, и покоординатном спуске из каждого начального варианта траектории на протяжении 20 шагов машинное время (типичный персональный компьютер 2016 г.) построения оптимальной траектории составляет около 20 секунд.
На первом этапе исследований разработанный метод моделирует полет до противоположного конца лесного массива с возвратом в исходную точку (рис. 2). При этом оптимальной считается траектория с максимальной площадью сканирования и минимальной длиной траектории. Для рассматриваемого примера за один пролет с возвратом удается исследовать 58,5 ... 60,7 % площади лесного массива. В то же время, конечной целью является возможность полного исследования лесного массива за один вылет БПЛА при минимальной длине траектории, и в настоящее время ведется соответствующая доработка алгоритма и программы.
Рис. 2. Варианты траекторий полета БПЛА, обеспечивающие наибольший (58,5...60,7 %) охват сканированием целевой площади за один пролет «туда-обратно». Полоса сканирования затемнена
Таким образом, разработанные научные основы, алгоритм и программы позволяют выбирать оптимальную траекторию полета БПЛА и минимизировать время тепловизионного сканирования лесного массива.
Список использованной литературы
1. Никитин, С. К. Тепловизоры, как средство профилактики пожаров [Текст] / С. К. Никитин // Алгоритм безопасности, 2013. - № 5. - С. 60-61.
2. Советов, Б.Я. Моделирование систем [Текст] : учебное пособие / Б.Я. Советов, С.А. Яковлев - М.: Высш. шк., 1998. - 319 с.
4. Bishop, Ch. M. Pattern recognition and machine learning / Christopher M. Bishop. - New York, NY: Springer, 2006. - XX, 738 p.
5. Потапов А. С. Распознавание образов и машинное восприятие [Текст] / А.С. Потапов. - С-Пб.: Политехника, 2007. - 548 с.
