Автореферат (Методика планирования полета легкого беспилотного летательного аппарата), страница 2

Москва,МАИ, 13-14 ноября 2012г).Основные результаты диссертационной работы опубликованы в двух статьях[1,2] в журналах, входящих в рекомендованный ВАКом Минобрнауки Россииперечень изданий, и в трех работах [3-5] в сборниках тезисов докладов на научнотехнических конференциях.Структура и объѐм работы. Диссертационная работа состоит из введения,четырех глав, заключения, списка литературы из 98 наименований. Текст диссертацииизложен на 155 машинописных страницах, включает 55 рисунков и 52 таблицы.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированыцель и задачи исследования, отмечена научная новизна и практическая значимостьполученных результатов, приведены основные положения диссертационной работы,выносимые на защиту, а также сведения об апробации результатовдиссертационной работы.

Дан обзор основных публикаций, посвященных различнымаспектам предполетного формирования маршрута полета БЛА. Описана структурадиссертационной работы и дано краткое содержание ее разделов.В первой главе отмечено, что одним из этапов подготовки полета, существенновлияющих на эффективность применения БЛА, является построение программыполета. Такая программа вводится на борт аппарата перед стартом и предусматриваетвыполнение координатного графика полета. Расположение точек на земнойповерхности, над которыми аппарат должен пройти в процессе полета, обусловленоцелевой задачей, решаемой в процессе данного полета.

С точки зрения построенияпрограммы полета наибольший интерес представляет ситуация, когда по условиюцелевой задачи допустимы различные варианты маршрутов облета заданных точек.При этом обычным требованием является то, что связать определенный набор точек наземной поверхности надо замкнутым маршрутом облета.

Естественно, что каждаяточка включается в маршрут только один раз. Задача составления маршрута, какпоследовательности облета точек, при условии посещения каждой точки только одинраз, интерпретирована как задача коммивояжера. При этом критерием являетсяпродолжительность облета всех заданных точек.Описан класс аппаратов, для которых разработана методика планированияполета. Эти аппараты в дальнейшем называются легкими. По своим летнотехническим характеристикам они входят в группы микро, мини и легких БЛА малогорадиуса действия. Воздушная скорость легких аппаратов составляет 65 - 100 км / час ,продолжительность полета не более 1 – 3 часов и дальность действия несколькодесятковкилометров.Принципиальнойособенностьюлетно-техническиххарактеристик легких аппаратов является, во-первых, то, что их воздушная скоростьсопоставима с возможными скоростями ветра в зоне полета. Например, БЛА«Gatewing X100», имея крейсерскую воздушную скорость порядка 75 км / час ,допускает эксплуатацию при скорости ветра до 65 км / час .

Во-вторых, дальности и6время полета позволяют говорить о сравнительно небольших зонах и длительностяхполета легких аппаратов. В пределах таких зон и продолжительностей полета вполнедопустимо пренебречь временной и пространственной изменчивостью значенийпараметров постоянной составляющей ветра. Другими словами, при решении задачимаршрутизации справедливо считать направление ветра, задаваемое в связанной споверхностью земли системе координат углом , и скорость ветра VB в зоне полетапостоянными.Маршрут облета заданных точек в поле постоянного ветра находится врезультате решения замкнутой задачи коммивояжера. Элементами несимметричнойисходной матрицы коммивояжера являются продолжительности полета БЛА междувсеми заданными точками.

Соотношения для расчета продолжительности полетаt AB (VB ) между парой точек A и B в условиях действия постоянного ветра сTTпараметрами VB(VB à ) были получены в предположении об идеальной работеавтопилота, обеспечивающего в условиях действия постоянного ветра удержаниеаппарата на требуемом курсе. При этом вектор путевой скорости в каждый моментвремени совпадает с требуемым направлением полета.Математическая формулировка задачи маршрутизации полета как задачикоммивояжера в комбинаторной постановке сводится к отысканию маршрута*облета mM доп заданных на земной поверхности точек, для которого времяоблета t ( m,VВ ) минимально при условии, что mM доп .

Допустимое множествомаршрутов M доп включает в себя только те маршруты, которые удовлетворяютусловиям однократности облета каждой точки и отсутствия в маршруте подциклов.*Решение m (VВ ) задачиm* (VВ )arg min t (m,VВ )(1)m M допзависит от значений параметров ветра. Продолжительность полета по оптимальномумаршрутуt min (VВ )min t (m,VВ )m M допt (m* ,VВ )(2)также является функцией параметров ветра.Необходимые расчеты при решении задач нахождения оптимального маршрутаполета проводились с помощью программы bintprog, входящей в состав пакетаматематического моделирования MATLAB и реализующей алгоритм «ветвей играниц».На примерах составления маршрутов облета было продемонстрированосущественное влияние ветра в зоне полета на вид оптимального маршрута.

Вчастности, на рисунках 1 и 2 показано, что изменение направления ветра с Южного наЮго-Западное приводит к изменению оптимального маршрута облета между точками14, 1, 15, 3, а также точками 5, 7, 8, 6.7Рис.1. Оптимальный маршрут облетаРис.2. Оптимальный маршрут облетапри Южном ветрепри Юго-Западном ветреПоказано также, что выигрыш по времени облета для одного и того же набораточек может достигать на оптимальном маршруте 15 – 20%.Во второй главе сформулированы и доказаны некоторые свойства замкнутыхмаршрутов облета точек с известным местоположением в условиях воздействия налетательный аппарат постоянного по направлению и скорости ветра.Свойство 1. Если S - протяженность маршрута облета, а VЛА - воздушнаяскорость БЛА, то время полета по замкнутому маршруту при отличной от нуляскорости ветра независимо от его направления окажется больше чем S / VЛА .Свойство 2.

При любой скорости и направлении ветра время полета позамкнутому маршруту “по” и “ против” часовой стрелки одинаково.Свойство 3. Время облета замкнутого маршрута при диаметральнопротивоположных направлениях ветра одинаково.Перечисленные свойства были доказаны и в дальнейшем использованы припостроении методик планирования полета и снижения связанных с этимвычислительных затрат.Во второй главе был также проведен качественный анализ влияния направленияи скорости постоянного ветра на результаты решения задачи маршрутизации призаданном наборе точек. С этой целью была разработана процедура параметрическогоанализа оптимальных маршрутов облета.

При вычислительной реализации указаннойпроцедуры непрерывное множество значений параметров ветрабылоаппроксимировано дискретным множеством H допустимых пар значений вектораветра VВ . Результаты параметрического анализа было предложено представлятьграфически. Для этого на плоскости, каждая точка которой соответствует пареопределенных значений параметров ветра, строятся области значений параметровветра, для которых оптимальным является один и тот же маршрут облета.Простейший пример иллюстрирует идею параметрического анализа решенийзадачи оптимальной маршрутизации и соответствующего графического представленияполучаемых результатов. Четыре точки могут быть связаны замкнутыми маршрутамитрех разных конфигураций, показанными на рис.3. Для наглядности каждомумаршруту ставится в соответствие свой цвет. Множество возможных в принципе8значений параметров ветра22122и33132 ,Hоказывается разбитым на подмножестватак, что каждому подмножествуi1,соответствует свойоптимальный маршрут облета mi .На рис.4 перечисленные подмножестваизображены в виде областей значений параметров ветра, которым соответствуютопределенные оптимальные маршруты облета заданных точек.

Эти области значенийпараметров ветра можно трактовать как области постоянства, или устойчивостирешений задачи маршрутизации.Рис.3. Маршруты облетаРис.4. Подобласти постоянства решенийчетырех точекзадачи маршрутизации для четырех точекФактически, для построения подобластей постоянства оптимальных маршрутов,необходимо решить задачу оптимальной маршрутизации (1) для всех пар значенийпараметров ветра принадлежащих множеству H . Результаты расчета согласно (2)минимальных продолжительностей облета заданных точек в зависимости от значенийпараметров ветра представлены на рис.5.

Можно сказать, что маршруты m1 , m2 , m3образуют множество M потенциально оптимальных маршрутов облета. Другимисловами, все маршруты, которые при каких-либо возможных значениях параметровветра окажутся оптимальными, образуют множество M .Исследование множеств оптимальных решений для задач маршрутизации сразличными исходными данными позволило выявить ряд свойств этих множеств.1.