Автореферат (Методика планирования полета легкого беспилотного летательного аппарата)

На правах рукописиУДК629.7.076:519.863Фам Суан КуенМЕТОДИКА ПЛАНИРОВАНИЯ ПОЛЕТА ЛЕГКОГОБЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТАСпециальность 05.13.01Системный анализ, управление и обработка информации(Авиационная и ракетно-космическая техника)АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМОСКВА20131Работа выполнена на кафедре «Системный анализ и управление» Федеральногогосударственногобюджетногообразовательногоучреждениявысшегопрофессиональногообразования«Московскийавиационныйинститут(национальный исследовательский университет, МАИ)»Научныйруководитель:Моисеев Дмитрий Викторович, кандидат техническихнаук, доцент, доцент кафедры «Системный анализ иуправление» Московскогоавиационногоинститута(национального исследовательского университета, МАИ)Официальныеоппоненты:Инсаров Вильям Викторович, доктор технических наук,профессор, академик РАЕН, начальник лабораторииГосударственного научно-исследовательского институтаавиационных систем, зав.

кафедрой МосковскогоинститутаповышенияквалификацииработниковобразованияКим Николай Владимирович, кандидат технических наук,профессор,профессоркафедры«Информационноуправляющие комплексы» Московского авиационногоинститута(национальногоисследовательскогоуниверситета, МАИ)Ведущаяорганизация:Федеральное государственное унитарное предприятие«Научно-производственное объединение имени С.А.Лавочкина», (ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина», 141400, г.Химки, Московская область, ул.

Ленинградская, д. 24).Защита состоится «13» июня 2013 г. в 13-00 часов на заседании диссертационногосовета Д 212.125.12 в Московскомавиационноминституте (национальномисследовательском университете, МАИ) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3,Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационногоинститута (национального исследовательского университета, МАИ) по адресу:125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.Автореферат разослан «08» мая 2013 г.Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 125993, г.

Москва, А-80,ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4, Ученый Совет МАИУченый секретарь диссертационного советаД 212.125.12, к.т.н., доцент2В.В.ДарнопыхОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы работыВ настоящее время беспилотные авиационные комплексы (БАК),системообразующим элементом которых являются беспилотные летательныеаппараты (БЛА), относятся к одной из наиболее динамично развивающихся областейавиационной техники и широко используются в решении различных хозяйственныхзадач. Большое внимание уделяется использованию беспилотной авиации причрезвычайных ситуациях, стихийных бедствиях, а также для обеспечениятелекоммуникаций, метеорологических измерений, мониторинга трубопроводов,патрулирования границ, решении других задач гражданского назначения.

Этообусловлено тем, что БЛА гораздо дешевле пилотируемых самолетов, проще вобслуживании, кроме того, они могут применяться в ситуациях, угрожающих жизнипилота.Разработка и применение БЛА требует решения ряда специфических задач.Одной из них является задача автоматического управления полетом и, в частности,задача априорного планирования маршрута полета БЛА.Специфика задачи априорного планирования маршрута полета легкого БЛАсвязана с необходимостью учета информации о ветре в зоне полета.

Существующие насегодняшний день подходы к решению этой задачи предполагают использованиепрогноза значений параметров ветра в зоне полета. Однако на практике возможностиполучения такого прогноза ограничены. Данная ситуация определяет необходимостьнового подхода к априорному планированию маршрута полета легких БЛА,предусматривающего учет имеющейся статистической информации о состоянии ветрав зоне полета, или учет при маршрутизации неопределенности значений параметровветра в зоне полета.Таким образом, диссертационная работа посвящена решению актуальнойтехнической задачи разработки методики априорного планирования маршрута полеталегкого БЛА при отсутствии прогноза состояния ветра в зоне полета.К настоящему времени, несмотря на определенные успехи, достигнутые врассмотрении указанных вопросов, остаются нерешенными еще ряд проблем.

Это, вчастности, вопросы, связанные со свойствами замкнутого маршрута облета,свойствами областей постоянства решений задачи маршрутизации, учетом примаршрутизации статистической информации о ветре в зоне полета, получениемвероятностных оценок целесообразности учета ветра при составлении маршрута взависимости от воздушной скорости БЛА.Таким образом, исследование указанных нерешенных вопросов являетсяактуальным и практически значимым как путь к повышению эффективностипланирования полета легких БЛА.Объект исследования. В диссертационной работе в качестве объектаисследования рассмотрены легкие беспилотные летательные аппараты.Предмет исследования. Методика планирования полета легкого БЛА являетсяпредметом исследования данной диссертационной работы.Цельюработыявляетсяповышениеэффективностицелевогофункционирования легкого БЛА путем априорного планирования замкнутого3маршрута наискорейшего облета набора точек, местоположение которых задано, вситуациях, когда о значении параметров ветра в зоне полета имеется статистическаяинформация, или известны диапазоны возможных значений параметров ветра.Для достижения поставленной цели решены следующие научно-техническиезадачи:Исследованы свойства замкнутых маршрутов облета точек в полепостоянного ветра;Предложена процедура параметрического анализа решений задачиоптимальной маршрутизации и исследованы свойства множествоптимальных маршрутов облета точек с заданным местоположением;Разработана методика планирования полета легкого БЛА по замкнутомумаршруту при наличии интервальной неопределенности значенийпараметров ветра в зоне полета;Разработана методика планирования полета легкого БЛА по замкнутомумаршруту с учетом статистических данных о значениях параметров ветра взоне полета;Предложена методика вероятностной оценки целесообразности учетаветра в зоне полета при решении задачи предполетной маршрутизации взависимости от воздушной скорости БЛА.Методы исследования.

В диссертационной работе основными методамиисследования являются методы целочисленного математического программирования,теории вероятностей и математической статистики, теории оптимальных систем, атакже принятия решений в условиях неопределенности.Научная новизна результатов диссертационной работы заключается вследующем:1. Сформулированы и доказаны свойства замкнутых маршрутов облета точек вполе постоянного ветра. Указанные свойства позволяют понять «физику» влиянияпостоянного ветра на результаты решения задач маршрутизации, а такжеиспользуются в дальнейшем при разработке процедур решения задач маршрутизациии снижения объема расчетов при их вычислительной реализации.2.

Предложена и алгоритмически реализована процедура параметрическогоанализа решений задачи маршрутизации, позволяющая определить множествопотенциально наискорейших замкнутых маршрутов облета и соответствующих иммножеств значений параметров ветра.3. Проведен анализ влияния воздушной скорости БЛА, расположения иколичества точек, связываемых маршрутом, на характеристики и свойства множествапотенциально наискорейших замкнутых маршрутов облета и соответствующих иммножеств значений параметров ветра.4. Разработана методика планирования полета легкого БЛА по замкнутомумаршруту с учетом статистических данных о значениях параметров ветра в зонеполета.5.

Предложена методика нахождения наискорейшего замкнутого маршрутаоблета точек в условиях неопределенности значений параметров ветра в зоне полета.Фактически определяются гарантирующие оценки длительности полета и4обеспечивающий их маршрут облета в условиях учета интервальнойнеопределенности параметров ветра в зоне полета.6. Введено в рассмотрение понятие пороговой скорости ветра, начиная с которойцелесообразен учет ветра при решении задачи маршрутизации.

Установленакачественная связь между пороговой скоростью ветра и воздушной скоростью БЛА.Предложена процедура вычисления вероятности, с которой фактическая скоростьветра не будет превосходить пороговую. Таким образом, фактически, по вероятностиоценивается целесообразность учета ветра при решении задачи маршрутизации.Практическаязначимостьрезультатовисследования.Результаты,полученные в диссертационной работе, могут использоваться для предполетногопланирования маршрута полета БЛА, а также для оценки эффективности как ужесозданных, так и разрабатываемых легких БЛА.

В частности, разработанные методики,алгоритмы и программно-моделирующий комплекс могут использоваться для:1.Предполетного планирования маршрутов облета заданных точек с учетомстатистической информации о ветре в зоне полета, что обеспечит экономиюэнергетических ресурсов аппарата и повысит оперативность решения целевой задачи.2.Расчета гарантированной оценки длительности облета совокупностизаданных точек в целях снижения риска потери аппарата из-за непредвиденногоперерасхода энергетических ресурсов аппарата.Результаты диссертационной работы внедрены и используются в учебномпроцессе кафедры «Системный анализ и управление» МАИ.

По материалам ирезультатам проведенных при выполнении диссертационной работы исследованийподготовлено учебно-методическое пособие «Планирование полета легкихбеспилотных ЛА: Методические разработки для проведения групповых практическихзанятий магистров по дисциплине «Научный семинар по динамике полета иуправлению аэрокосмическими системами». - М.: Кафедра 604 МАИ, 2012. Данноепособие предназначено для обучения магистров по профилю «Динамика полета иуправление аэрокосмическими системами» в рамках направления 161700 «Баллистикаи гидроаэродинамика».Достоверность и обоснованность научных положений и полученныхрезультатов обеспечивается корректным использованием математических методов, атакже четкой формулировкой допущений и условий, в рамках которых проводилисьрасчеты и были получены основные результаты.Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту.1.

Сформулированные и доказанные свойства замкнутых маршрутов облетаточек в поле постоянного ветра.2. Методика нахождения наискорейшего замкнутого маршрута облета точек вусловиях неопределенности значений параметров ветра в зоне полета.3. Методика планирования полета легкого летательного аппарата по замкнутомумаршруту с учетом статистических данных о ветре в зоне полета.4. Понятие и методика расчета величины скорости ветра, определяющей повероятности целесообразность учета ветра при решении задачи маршрутизации.Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работыдокладывались и получили одобрение на:- Научных семинарах кафедры «Системный анализ и управление» Московскогоавиационного института;5- 10-ой Международной конференции «Авиация и космонавтика -2011» (г. Москва,МАИ, 8-10 ноября 2011г.);- 17-ой Международной конференции "Системный анализ, управление инавигация» (Украина, г. Евпатория (Крым), с 1 по 8 июля 2012 г);- 11-ой Международной конференции «Авиация и космонавтика -2012» (г.