Отзыв_официального_оппонента_Дивеева_А.И. (Автономная система управления полетом квадрокоптера с возможностью облета препятствий и комплексной навигацией)

отзыв официального оппонента на диссертационную работу Гэн Кэ Кэ «Автономная система управления полетом квадрокоптера с возможностью облета препятствий и комплексной навигацией», представленную на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.01 — Системный анализ, управление и обработка информации (в технических системах) Актуальность В настоящее время беспилотные летательные аппараты (БПЛА) используются достаточно широко в совершенно разных областях, таких как экологический мониторинг, при ликвидации чрезвычайных ситуаций и последствий стихийных бедствий, для инспекции различных сооружений и обнаружения объектов с вредными выбросами, метеорологических измерений и т.д.

Но при этом управление полетом БПЛА осуществляется, в основном, в дистанционном режиме с помощью пульта управления или в полуавтоматическом режиме по командам оператора с использованием навигации по опорным точкам. Существует большой круг задач, требующих увеличения уровня автономности БПЛА на базе интеллектуальных автопилотов, автоматически выполняющих планирование, автономную навигация, стабилизацию полета и траекторное управление, Простота конструкции и дешевизна квадрокоптеров способствует все большему расширению области применения этих летательных аппаратов.

Но при этом рабочая среда полета квадрокоптера становится все более сложной. Она может быть наполнена различными препятствиями (подвижными и неподвижными). В ней может отсутствовать сигнал спутниковой навигационной системы (СНС). Известные алгоритмы планирования маршрута, облета препятствий, отслеживания маршрута и комплексной навигации в данных случаях оказываются непригодными к применению, так как они нуждаются в глобальной системы локализации (обычно — СНС) и их сложно использовать в режиме реального времени.

таким образом, разработка автоматической системы управления полетом квадрокоптера, позволяющей спланировать и обеспечить автономный полет по спланированному маршруту с возможностью облета препятствий в сложной среде и автономной навигацией, является актуальной и практически значимой. Основное содержание диссертации Диссертационная работа Гэн Кэ Кэ посвящена решению актуальной задачи управления полетом квадрокоптера по спланированному маршруту в сложной динамической среде с возможностью облета препятствий в режиме реального времени.

Для достижения этого в диссертации разработаны: — алгоритм планирования пространственного глобального маршрута в известной среде с неподвижными препятствиями на основе облачно-точечной карты и улучшенного муравьиного алгоритма„ вЂ” алгоритм отслеживания спланированного маршрута в режиме реального времени на основе улучшенного метода «Е1» с адаптивным выбором опорной точки отслеживания; — новый алгоритм облета препятствий в сложной динамической среде в режиме реального времени на основе управления поворотом вектора скорости полета квадрокоптера; — алгоритмы управления траекторным движением на основе ПИД- регуляторов и многорежимной системы стабилизации, содержащей набор бэкстеппинг-регуляторов, автоматически выбираемых в соответствии с условиями полета; — уточненная математическая модель квадро коптера с учетом гироскопических эффектов винтов и моторов, влияния ветра и экранного эффекта поверхности земли.

Результаты теоретических исследований и математического моделирования подтвердили, что предлагаемые алгоритмы являются высококачественными и с помощью этих алгоритмов квадрокоптер может быстро найти глобальный маршрут с меньшим количеством путевых точек, точнее отслеживать спланированный глобальный маршрут и избегать столкновения с различными препятствиями в сложной динамической среде. Кроме того, квадрокоптер будет возвращаться на базу при сложных метеоусловиях, что позволяет повысить безопасность полета квадрокоптера. Еще одна из важных задач, которая была рассмотрена в диссертации Гэн Кэ Кэ — обеспечение системы управления полетом точной достоверной навигационной информацией о движении аппарата и препятствиях в случаях действия помехи и отсутствия сигналов СНС. Для повышения точности навигации квадрокоптера были использованы следующие измерительные средства: БИНС; СНС; визуальная навигационная система на основе улучшенного алгоритма одновременной локализации и картографирования с расширенным фильтром Калмана (ЕКХ-Я.АМ); барометрический и радиовысотомеры.

Каждый источник имеет свои недостатки и не может самостоятельно обеспечивать точность навигационной информации в режиме реального времени в различных условиях полета достаточно долго. Для решения этой проблемы в работе Гэн Кэ Кэ была предложена комплексная навигационная система (КНС) на основе оригинального метода автоматического выбора режимов навигации в соответствии с условиями полета, многослойного фильтра Калмана и слияния навигационной информации с нескольких источников с возможностью обнаружения и изоляции недостоверной информации. Для того, чтобы проверить правильность функции обнаружения и изоляции неисправностей предлагаемой системы, проведен анализ полета квадрокоптера по трехмерной карте с большой волнообразностью земной поверхности и временной потерей информации от СНС с переходным процессом при ее восстановлении. Результаты моделирования показывает, что система может обнаружить неисправности с помощью теста «хи-квадрат» и уменьшить навигационную ошибку, изолировав неисправность.

Кроме того для проверки работоспособности предлагаемой КНС в работе Гэн Кэ Кэ был проведен макетный эксперимент навигации в реальной среде. Сравнение предсказанной КНС и истинной траектории движения на спутниковой карте показывает правильность и точность системы. Все предлагаемые результаты проверены комплексным математическим моделированием в трехмерной сложной среде, в которой существуют неподвижные препятствия, подвижные препятствия и атмосферные влияния. Следует отметить научную новизну, оригинальность подхода при выполнении диссертационного исследования и значимость полученных результатов, которые обоснованы не только теоретически, но и доведены автором до практической программной реализации. Научная новизна В диссертации получены следующие новые научные результаты: 1.

Предложен алгоритм планирования пространственного глобального маршрута на основе представления информации о среде в виде облачно- точечной карты и улучшенного муравьиного алгоритма с возможностью эффективного использования имеющейся известной информации о среде и быстрого получения глобального маршрута с меньшим количеством путевых точек; 2. Разработан алгоритм отслеживания спланированного маршрута на основе модификации метода «?.1» путем адаптивного выбора опорных точек отслеживания на маршруте; 3. Предложен алгоритм облета неподвижных и подвижных препятствий, позволяющий управлять поворотом вектора скорости квадрокоптера в реалыюм времени; 4. Предложен улучшенный алгоритм Я АМ с расширенным фильтром Калмана (ЕКР-К?.АМ) с адаптивным диапазоном наблюдения и локальной ассоциации данных, на основе которого разработано алгоритмическое и программное обеспечение визуальной навигационной системы; 5.

Разработана структура и математическая модель КНС, использующая модификации многоуровневого фильтра Калмана для компенсации погрешностей навигационной информации от нескольких источников с возможностью обнаружения и изоляции неисправностей. Практическая ценность Практическая ценность исследований определена их прикладным характером, применением результатов при выполнении конкретных проектов в организациях„решающих задачи планирования и исследования маршрутов движения для БПЛА различных типов, а также наземных подвижных объектов. Среди наиболее важных прикладных задач, которые были решены в диссертации на базе разработанных алгоритмов и методов, используя разработанное программное обеспечение, необходимо выделить следующие: 1. Предлагаемая КНС с разными навигационными режимами, используя показания дополнительных датчиков, позволяет повысить точность навигации и расширить область применения БПЛА в отсутствии сигнала СНС„.

2. Разработанный интерфейс пользователя КНС может быть использован на наземной станции для наблюдения за полетом БПЛА и работой датчиков в режиме реального времени; 3. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение (ПАО) многорежимной подсистемы углового управления на основе бэкстеппингрегуляторов, автоматически выбираемых в соответствии с условиями полета (высота, угловое положение, ветровые воздействия, режимы взлета-посадки), позволяющее повысить стабильность полета БПЛА в среде с ветром и вблизи поверхности Земли с возможностью аварийного возврата к исходной точке в сложных погодных условиях; 4. Предложны более простые для бортовой реализации алгоритмы облета препятствий и отслеживания заданного маршрута в режиме реального времени на основе управления поворотом вектора скорости, которые могут быть использованы для БПЛА и наземных подвижных объектов.

Достоверность полученных результатов в диссертации результатов Достоверность полученных результатов и сделанных на их основании выводов обуславливается научным обзором литературы по теме диссертации, теоретической проработкой и инженерным анализом существующих подходов, использованием известных закономерностей и апробированных методик, соответствием методов исследования поставленным целям и задачам, сочетанием количественного и качественного анализа результатов, применением современных методов моделирования и обработки данных, непротиворечивостью результатов, а также положительной оценкой внедрения.

Реализация и внедрение результатов работы Результаты диссертационной работы использованы: — Научные и технические результаты диссертации используются на кафедре «Системы автоматического управления» (ИУ-1) МГТУ им. Н.Э. Баумана при чтении лекций по курсам «Управляющие комплексы беспилотных летательных аппаратов» и «Динамическое проектирование систем наведения летательных аппаратов>>.