Способы организации управления беспилотными летательными аппаратами Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

1 2 3 ©

Иванова И.А. , Никонов В.В. , Царева А.А.

1Кандидат технических наук, докторант; 2кандидат технических наук, доцент;

1,2«Московский государственный университет приборостроения и информатика»;

3

специалист, ООО «КБ ЭлектронСистема»

СПОСОБЫ ОРГАНИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫМИ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ

АППАРАТАМИ

Аннотация

Повышение интереса к беспилотным летательным аппаратам вызвано их успешным применением при решении задач в различных областях человеческой деятельности. Данная статья освещает вопрос о необходимости разработки эффективной системы управления беспилотным летательным аппаратом, позволяющей также осуществлять взаимодействие в группе беспилотных летательных аппаратов. Выполнен классификационный обзор беспилотных летательных аппаратов, а также выделена область их применения, что позволило подробно определить состав и область деятельности систем управления беспилотными летательными аппаратами; проведен анализ существующих систем управления и использующихся этими системами алгоритмов управления. На основании выявленных достоинств и недостатков сформулированы требования к проектируемой системе управления беспилотными летательными аппаратами.

Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, система управления, общее воздушное пространство, искусственные нейронные сети, генетическое программирование, нечеткие гибридные системы.

Keywords: unmanned aerial vehicle, control system, common airspace, artificial neural networks, genetic programming, fuzzy hybrid system.

Одним из препятствий, стоящих на пути повсеместного применения беспилотных летательных аппаратов, является проблема сертификации для полётов в общем воздушном пространстве, что, в свою очередь, является следствием отсутствия эффективной системы управления.

В настоящей статье представлена система управления беспилотным летательным аппаратом (БЛА, БПЛА, «беспилотник»), поддерживающей также возможность управления группой летательных аппаратов.

При этом решаются задачи:

- определения поля деятельности систем управления БПЛА;

- исследования существующих систем и алгоритмов управления;

- определения факторов, влияющих на процесс проектирования СУ.

Область применения и назначение беспилотного летательного аппарата зависит от его принадлежности к определенному классу.

Критериев классификации беспилотных летательных аппаратов выделено немало, среди основных можно отметить такие, как:

• аэродинамическая схема;

• габаритно-весовые характеристики;

• дальность действия;

• масштаб применения;

• принадлежность.

Следует отметить что возможна ситуация, в которой один БПЛА может относиться к нескольким классам одновременно. Это связано с появлением новых беспилотных летательных

© Иванова И.А., Никонов В.В., Царева А.А., 2014 г.

аппаратов, превосходящих по одной или нескольким характеристикам «старые», классифицированные варианты.

БПЛА применяются в самых различных сферах: сельское хозяйств, лесное хозяйство, строительство, геодезия, метеорология, картография, экология, сфера безопасности и т.д.

Беспилотные летательные аппараты также применяются в геодезических изысканиях при строительстве, для составления кадастровых планов промышленных объектов, транспортной инфраструктуры, поселков, дачных массивов, в маркшейдерском деле для определения объемов горных выработок и отвалов, при учете движения сыпучих грузов в карьерах, портах, горнообогатительных комбинатах, для создания карт, планов и 3D-моделей городов и предприятий.

Беспилотники используются при мониторинге линий электропередач (определение зарастания, провисания проводов, деформации опор, повреждений изоляторов и проводов), трубопроводов (выявление врезок, незаконных построек, зарастания), дорог (выявление деформации насыпи, дефектов полотна), для мониторинга госграницы, особо охраняемых объектов, зон аэропортов (выявление изменений, выявление незаконных построек), акваторий портов и др. Эти аппараты также применяются для обнаружения лесных пожаров, при ликвидации чрезвычайных ситуаций, отслеживании нарушителей ПДД, для проводки судов во льдах. Используют их и в потребительском секторе — для съемки спортивных соревнований, рекламных роликов. [1, 52-54]

Область применения беспилотных летательных аппаратов постоянно расширяется: например, NASA использует беспилотники для изучения ураганов, а немецкая Deutsche Bahn применяет беспилотные летательные аппараты для защиты от вандалов вагонов железнодорожных поездов.

Основным преимуществом БПЛА является полное или частичное исключение человеческого фактора, что позволяет минимизировать риск потери человеческих ресурсов при выполнении поставленной задачи и исключить возможность угрозы жизни человека. К прочим достоинствам использования беспилотного летательного аппарата можно отнести: уменьшение стоимости производства работ и меньшее количество регламентных операций, по сравнению с пилотируемой техникой, отсутствует необходимость в высококвалифицированной технической помощи при обслуживании, значительно легче обеспечить безопасность на объекте работ, а в случае использования беспилотника многократного действия необходимо отметить и значительный срок эксплуатации беспилотника.

В зависимости от назначения и области применения, беспилотный летательный аппарат оснащается различной технической аппаратурой, включающей в себя всевозможные датчики, разнодиапазонные камеры, и прочие средства фиксирования, получения и передачи необходимой информации. Для обозначения этой совокупности (БПЛА и его приборного оснащения), введен термин беспилотная авиационная система (БАС). БАС так же включает в себя бортовой комплекс управления, полезную нагрузку, т.е. техническое оснащение, и наземный комплекс управления.

В основе работы любой системы управления лежит следующая последовательность:

1. Измерение состояния системы;

2. Сравнение текущего состояния с желаемым;

3. Выработка воздействия для компенсации отклонения текущего состояния от желаемого.

Как правило, управление БЛА осуществляется посредством бортового комплекса навигации и управления, в состав которого входят:

1) интегрированная навигационная система, которая содержит также приемник спутниковой навигации, обеспечивающий прием навигационной информации (например, от систем ГЛОНАСС и GPS);

2) система датчиков и сигналов, обеспечивающая определение ориентации и параметров движения бпла, а также измерение высоты и воздушной скорости;

3) различные виды антенн и датчиков, предназначенных для выполнения задач;

4) модуль автопилота, обеспечивающий решение таких задач, как:

a) пилотирование (автоматический полет по заданному маршруту, автоматический взлет и посадка, поддержание заданной высоты и скорости полета, стабилизация углов ориентации, принудительная посадка в экстренных ситуациях);

b) программное управление бортовыми системами и полезной нагрузкой;

5) система накопления и передачи информации.

Таким образом, бортовая система навигации и управления обеспечивает:

• полет по заданному маршруту (задание маршрута производится с указанием координат и высоты поворотных пунктов маршрута);

• изменение маршрутного задания или возврат в точку старта по команде с наземного пункта управления;

• автосопровождение выбранной цели;

• стабилизацию углов ориентации БЛА;

• поддержание заданных высот и скорости полета (путевой либо воздушной);

• сбор и передачу необходимой информации и параметрах полета, а также работе целевого оборудования;

• программное управление устройствами целевого оборудования.

На рисунке 1 изображена общая схема системы управления беспилотным летательным аппаратом, представляющая собой совокупность отношений по передаче информации между наземным программно-аппаратным комплексом и, собственно, БПЛА, по защищенной линии связи [1,3; 2,1-3]. Под входными данными, поступающими для анализа и обработки в программно-аппаратный комплекс, подразумевается постановка выполняемой задачи.

Программноаппаратный наземный комплекс

Беспилотный летательный аппарат

Рис.1. Общая схема системы управления БПЛА

Возможно осуществление передачи информации и связи между беспилотным летательным аппаратом и программно-аппаратным наземным комплексом, но и между группой беспилотников, между группой БПЛА и программно-аппаратным наземным комплексом, а так же со спутником и пилотируемым объектом. Таким образом, схема системы управления может изменяться и дополняться в зависимости от выполняемой задачи и необходимости использования тех или иных объектов.

На фоне успешного применения беспилотных летательных аппаратов в самых разных областях, задача обеспечения группового полета БПЛА является особенно актуальной не только для развития современной авиации, но и для развития областей, использующих беспилотники в качестве инструмента для выполнения поставленной цели.

При решении данной задачи необходимо также учесть такие вопросы, как: возможное и допустимое количество беспилотников в группе, выбор метода управления группой беспилотников, возможность и методы синхронного управления группой беспилотных летательных аппаратов, обеспечение безопасности полета, определение физических масштабов группы БПЛА, координация и связь - навигация, прием и передача данных.

Стоит отметить, что в настоящее время наблюдается повышение интереса к беспилотным летательным аппаратам, поэтому перспективы их использования практически безграничны и скорость «адаптации» беспилотников как к новым, так и к уже существующим сферам деятельности зависят лишь от развития технологий (разработка и использование новых материалов, применение и разработка различных технических схем, и т.д.).

Система управления строится как совокупность искусственной нейронной сети и конечного автомата. Нейронная сеть преобразует входные вещественные переменные в логические, которые подаются на вход конечному автомату. Он, в свою очередь, вырабатывает выходные воздействия. Для оптимизации этой модели используется генетическое программирование.

Каждый беспилотный летательный аппарат управляется системой, состоящей из нейронной сети и конечного автомата. Таким образом, можно говорить, что используется мультиагентный подход - каждый летательный аппарат представляет собой агента, взаимодействующего с внешней средой и другими агентами. При этом, нейронная сеть используется для классификации значений вещественных входных переменных и выработки входных логических переменных для автомата, а автомат - для выработки выходных воздействий на беспилотный летательный аппарат (рисунок. 2).

Вещественные Логические Выходные

переменные переменные воздействия

Рис.2. Структурная схема системы управления БПЛА с применением генетического

программирования

Структура нейронной сети и способ ее взаимодействия с конечным автоматом показаны на рисунке 3. Символами S обозначены нейроны с сигмоидальной функцией активации, символом L - нейроны с пороговой функцией активации. Рядом с нейронами указаны их номера (они используются при описании операции скрещивания нейронных сетей). На каждый из трех выходов нейронной сети поступает число равное нулю или единице. Таким образом, существует восемь вариантов комбинаций выходных сигналов нейронной сети (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111), подаваемых на вход конечного автомата.

1 t s SM

Угол с

направлением

«вперед»

Время до выхода за границу трассы

Конечный

автомат

Рис. 3. Нейронная сеть и ее взаимодействие с конечным автоматом

Используемый системой управления алгоритм генетического программирования:

1. Создание начального поколения;

2. Мутация;

3. Скрещивание (кроссовер);

4. Отбор особей для формирования следующего поколения;

5. Вычисление функции приспособленности. [4, 1; 4, 8]

Беспилотный летательный аппарат имеет четко зафиксированное количество состояний и переходов между ними, а также способов аэродинамического взаимодействия между летательными аппаратами.

Достоинствами данной системы являются наглядность и относительная простота реализации, отсутствие высоких требований к производительности технического оборудования, а также то, что система может использоваться для вещественных входных переменных.

К недостаткам же можно отнести практическую невозможность управления группой БПЛА, так как взаимодействие с «соседями» оценивается только по факту уже случившихся событий. Несмотря на значительное количество учитываемых параметров, их упрощение в используемой системе не может дать корректной и объективной оценки результатов, например, не учитывается изменение состояния окружающей среды и зависящие от этого параметры беспилотника.

В качестве метода анализа и синтеза используется метод линеаризации обратной связью совместно с нечеткими системами логического вывода. По сравнению с «обычной» линеаризацией, применение такого алгоритма делает возможным его использование для существенно нелинейных объектов управления.

Предусмотрены широкие изменения режимов полета беспилотного летательного аппарата.

В данной системе управления используется база знаний, которая представляет собой совокупность информации о базе нечетких правил и о множестве лингвистических переменных с соответствующими функциями принадлежности.

Работа по формированию базы знаний происходит в два этапа:

• На первом этапе база знаний формируется на основе обучающей выборки, которая состоит из параметров наблюдений с соответствующими принадлежностями к классам наблюдений и доступной априорной информации об объекте у эксперта;

• На втором этапе происходит параметрическая оптимизация к дискретному изменению динамики объекта управления.

На рисунке 4 представлена общая структура адаптивной модели с нечетким выводом, используемой при идентификации параметров беспилотного летательного аппарата. [5,79]

Рис. 4. Общая структура нечеткой модели системы управления БПЛА на основе метода линеаризации обратной связью с применением нечеткого логического вывода

Как правило, использование базы знаний приводит к тому, что область применения систем управления, в которых она используются, ограничена целевой функцией объекта, которым она управляет. Данный факт затруднительно отнести строго к достоинствам либо к недостаткам.

Достоинством системы управления беспилотным летательным аппаратом на основе линеаризации обратной связью с использованием нечеткого логического вывода является значительное снижение влияния неопределенности на качество систем управления вследствие оптимизации системой параметров нечеткой модели, соответственно повышается качество идентификации.

Используемая структура нечеткой модели системы управления беспилотным летательным аппаратом позволяет исправить такой весомый недостаток нечетких систем, как отсутствие возможности дополнения исходного набора правил базы знаний, который описывает возможные состояния системы управления, ведь при формировании правил базы знаний невозможно избежать человеческого фактора, следовательно, возможна ситуация, в которой база знаний будет иметь неполный набор правил, противоречивые или идентичные правила.

Также к достоинствам можно отнести учет изменения динамики объекта управления.

Недостатками системы управления является трудоемкость вычислений, необходимость, трудоемкость и сложность в целом формирования базы знаний и при обучении нечеткой модели, так как очевидно прослеживается зависимость при моделировании от качества обучения и настройки нечеткой базы знаний.

Управление беспилотными летательными аппаратами на основе распределенной системы заключается в том, что один человек может управлять целым воздушным флотом и передавать летательным аппаратам команды для выполнения сложных задач. Каждый летательный аппарат оснащен специальным техническим оборудованием для поддержки связи с наземной станцией и другими летательными аппаратами в строю.

Система управления построена на основе компьютера PC/106 с операционной системой QNX 6. Процессы управления разделяются на три группы: связь, обработка изображений и управление выполнением задач. Все три типа процессов взаимодействуют через специальную

программную систему Cascade DataHub компании Cogent. Система Cascade DataHub является резидентной базой данных реального времени, которая позволяет использовать разделяемые несколькими процессами данные, основываясь на модели публикации/получении данных. В данном варианте применения системы каждый процесс записывает (передает) свои данные в программу Cascade DataHub и имеет возможность получать данные от каждого из других процессов в режиме «только чтение».

Схема взаимодействия процессов через Cascade DataHub изображена на рисунке 5. [6,6465]

Управление ЛА -

Интерфейс оператора ’ наземной станции

Другой ЛА?---------

Ввод видеоинформации

Сохраненный визуальный I профиль s

Процесс

Payload

Процесс

Orinoco

Процесс

Piccolo

Процесс

получения

изображений

Cascade

DataHub

Управление обработкой изображений

Процесс

Waypoint

Управление задачей

◄------4- -посещения определенного

места

Процесс Orbit

◄------

Процесс

Switchboard

ч

Управление задачей патрулирования

Надзор за задачами

----управления и их

координация

Рис.5. Схема взаимодействия процессов через Cascade DataHub в системе распределенного

управления БПЛА

Несомненным достоинством представленной системы является реализация управления группой беспилотных летательных аппаратов. Также к достоинствам можно отнести то что используемая схема взаимодействия процессов позволяет избежать многих проблем, связанных с управлением данными процессов, и при организации доступа одних процессов к данным других процессов.

К существенным недостаткам относятся сложность реализации используемых алгоритмов управления, сложность интеграции программного обеспечения, и недостаточная защищенность системы управления в целом. Следует также обратить внимание на используемое системой распределенного управления оборудование и возможные трудности при интеграции программного обеспечения.

На основании представленной выше информации можно сделать вывод о необходимости разработки системы управления для беспилотного летательного аппарата, с возможностью использования системы управления не только для одного объекта, но и для группы объектов.

При обеспечении управления группой беспилотных летательных аппаратов важно обратить внимание на такие особенности как:

• взаимодействие БПЛА в группе;

• обеспечение получения и передачи информации;

• контроль группы в целом.

Взаимодействие беспилотников в группе представляет собой управление действиями БПЛА и контроль их выполнения, обеспечение безопасности полета, то есть предотвращение действий, имеющих нежелательные для объекта системы управления последствия, например избежание столкновений, оценка относительного положения группы и её объектов.

Получение и передача информации представляет собой обеспечение связи между объектами системы управления, например между беспилотниками, наземным комплексом, и со сторонними доверенными субъектами.

Такая особенность как контроль группы в целом включает в себя определение местоположения группы и элементов системы (здесь имеется в виду навигация, то есть использование спутника для определения географического положения группы и её объектов, а также положение объектов системы управления), учет количества объектов системы, определение масштабов группы.

При разработке и проектировании систем управления важной особенностью также является то, что современный уровень развития технологий позволяет использовать множество алгоритмических и структурных решений, представляющих собой неполное математическое описание, т.е. не учитывающие определенные состояния, и неспособные дать реальное и адекватное представление о поведении системы. Значительное упрощение используемых параметров и недостаточное их количество не дают при моделировании системы управления и оценке результатов достоверной и корректной информации. Таким образом, при постановке задачи также следует предусмотреть и возможность изменения поведения системы вследствие изменений внешней среды.

Литература

1. Иноземцев Д.П.. Беспилотные летательные аппараты: теория и практика. Часть 1. Обзор технических средств. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.credo-dialogue.com/ getattachment/6cf5bf18-cf53-4532-b5bd-1ed04dabc234/Bespilotnue-letatelnue-apparatu.aspx.

2. Зинченко О.Н. Беспилотный летательный аппарат: применение в целях аэрофотосъемки для картографировани. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.racurs.ru/www_download/ articles/UAV_1.pdf.

3. Салычев О.С. Автопилот БПЛА с Инерциальной Интегрированной Системой — основа безопасной эксплуатации беспилотных комплексов. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.teknol.ru/trash/uav_autopilot_salychev_2602182965.pdf.

4. Царев Ф.Н. Совместное применение генетического программирования, конечных автоматов и искусственных нейронных сетей для построения системы управления беспилотным летательным аппаратом. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://is.ifmo.ru/works/2008/Vestnik/53/03-genetic-neuro-automata-flying-plates.pdf

5. Матвеев Е.В., Глинчиков В.А. Нечеткий логический вывод в системе управления беспилотного летательного аппарата. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://elib.sfu-kras.ru/bitstream/ 2311/2272/1/09_Matveev.pdf

6. Боб Мак-Илврайд. Распределенное управление беспилотными летательными аппаратами. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.cta.ru/cms/f/389393.pdf.

7. Маценко К.В., Никонов В.В. Подготовка данных для автоматизированного анализа // Сборник научных трудов Sworld. 2007. Т. 2. № 1. С. 19-22.

8. Никонов В.В. Решение задачи прогнозирования на основе аппарата искусственных нейронных сетей // Сборник научных трудов Sworld. 2007. Т. 2. № 1. С. 7-10.

9. Иванова И.А. Проблемы автоматизации передачи сигнала при ограниченной мощности передатчика // Промышленные АСУ и контроллеры. 2010. № 7. С. 15-16.

10. Быков В.М., Зуев К.А., Шестаков А.А., Иванова И.А., Девятаев М.В. Выбор операционной системы для блока фильтрации сигналов // Сборник научных трудов Sworld. 2009. Т. 4. № 1. С. 41-44.