Автореферат (Планирование маршрута полета легкого беспилотного летательного аппарата с учетом действия ветра)

На правах рукописиЧинь Ван МиньПЛАНИРОВАНИЕ МАРШРУТА ПОЛЕТА ЛЕГКОГО БЕСПИЛОТНОГОЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С УЧЕТОМ ДЕЙСТВИЯ ВЕТРАСпециальность 05.13.01Системный анализ, управление и обработка информации(Авиационная и ракетно-космическая техника)АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМОСКВА2017Работа выполнена на кафедре «Системный анализ и управление» Федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования«Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»Научныйруководитель:Моисеев Дмитрий Викторович, кандидат техническихнаук, доцент, доцент кафедры «Системный анализ иуправление»Московскогоавиационногоинститута(национального исследовательского университета) (МАИ)Официальныеоппоненты:Злотников Константин Аркадьевич,доктор технических наук,профессор,профессорФедерального государственного казенного военногообразовательного учреждения высшего образования«Михайловская военная артиллерийская академия»Министерства обороны Российской Федерации (МВАА)Смирнов Андрей Валентинович,кандидат технических наук, заместитель начальника НИО«Системныеисследованияиконцептуальноепроектированиеавиационно-космическойтехники»Федерального государственного унитарного предприятия«Центральный аэрогидродинамический институт именипрофессора Н.Е.

Жуковского» (ФГУП «ЦАГИ»)Ведущаяорганизация:Федеральное государственное унитарное предприятие«Государственный научно-исследовательский институтавиационных систем» (ФГУП «ГосНИИАС»).Защита состоится «15» февраля 2018 г. в 14.00 часов на заседании диссертационногосовета Д212.125.12 в Федеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего образования «Московский авиационный институт (национальныйисследовательский университет)» (МАИ) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3,Волоколамское шоссе, д.

4, в аудитории 302.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственногобюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московскийавиационный институт (национальный исследовательский университет)» (МАИ) поадресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4, а также на сайтеинститута по адресу: https://mai.ru/events/defence/index.php?ELEMENT_ID=86847Автореферат разослан « » декабря 2017 г.Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 125993, г.

Москва, А-80,ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4, Ученый Совет МАИ.Ученый секретарь диссертационного советаД 212.125.12, к.т.н., доцентА.В. СтарковОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы работыВ настоящее время беспилотные летательные аппараты (БПЛА) являются однимиз наиболее динамично развивающихся видов авиационной техники и активноиспользуются при решении широкого спектра задач. Большое внимание уделяетсяиспользованию беспилотных аппаратов при чрезвычайных ситуациях, стихийныхбедствиях, а также для обеспечения телекоммуникаций, метеорологических измерений,мониторинга трубопроводов, патрулирования границ, решении других задачгражданского назначения. Это обусловлено тем, что БПЛА гораздо дешевлепилотируемых аппаратов, проще в обслуживании, кроме того, они могут применяться вситуациях, угрожающих жизни пилота.Актуальность темы диссертационной работы обусловлена тем, что решениезадачи предполетной маршрутизации является важным этапом подготовки полетабеспилотных летательных аппаратов, непосредственно влияющим на эффективность ихцелевого применения.

Кроме того, разработка алгоритмов предполетноймаршрутизации играет существенную роль в повышении уровня автоматизацииуправления целевым функционированием БПЛА, ведущего, в конечном итоге, кповышению надежности беспилотных комплексов за счет уменьшения влияния«человеческого фактора». Разработка методик и алгоритмов оптимальногопланирования маршрутов полета легких БПЛА, а также создание программноалгоритмического обеспечения, реализующего указанные методики и алгоритмы,позволит в перспективе создать прототип программного комплекса, потребляющийаппаратные ресурсы, доступные в компактной, переносной реализации, иобеспечивающий эффективную работу операторов, обслуживающих легкие БПЛА.Таким образом, диссертационная работа посвящена решению актуальнойтехнической задачи разработки методик априорного оптимального планированиямаршрута полета легкого БПЛА с учетом ограничений, обусловленных техническимихарактеристиками аппарата, при наличии ветра в зоне полета.К настоящему времени, несмотря на определенные успехи, достигнутые врешении задач планирования маршрутов полета легких БПЛА, остаются нерешеннымиряд проблем.

Это, в частности, вопросы, связанные с использованием разомкнутыхмаршрутов полета легких БПЛА и исследованием их свойств с учетом действия ветра взоне полета. Разработка методик оптимального планирования маршрутов облетазаданных своим положением точек с возможностью учета ограничения на время полетаи, при необходимости, неравноценности точек, связываемых маршрутом, с учетомдействия ветра в зоне полета. Разработка вычислительных процедур и программногообеспечения, позволяющего устойчиво получать точные решения задач планированияоптимальных маршрутов полета легких БПЛА.Исследование указанных нерешенных вопросов является актуальным ипрактически значимым в плане повышения эффективности планирования маршрутаполета легких БПЛА.Объект исследования. В диссертационной работе в качестве объектаисследования рассмотрен легкий беспилотный летательный аппарат.Предмет исследования.

Методика маршрутизации полета легкого БПЛАявляется предметом исследования данной диссертационной работы.3Целью работы является разработка методик и реализующего их программноалгоритмического обеспечения планирования оптимального маршрута полета легкогоБПЛА в интересах повышения его целевой эффективности.Для достижения поставленной цели решены следующие научно-техническиезадачи: Предложен единый подход к математической формализации и решениюзадач оптимального планирования маршрута полета легкого БПЛА наоснове аппарата булева линейного программирования; Разработаны методики оптимального планирования как разомкнутых, так изамкнутых маршрутов полета легкого БПЛА с возможностью учетаограничения на время полета как для равноценных, так и неравноценныхмаршрутных точек; Разработано программно-алгоритмическое обеспечение оптимальногопланирования маршрута полета легкого БПЛА; Разработан программный комплекс оптимального планирования маршрутаполета легкого БПЛА.Методы исследования.

В диссертационной работе основными являются методысистемного анализа, исследования операций, булева линейного программирования имногокритериальной оптимизации.Научная новизна результатов диссертационной работы заключается вследующем:1. Показано, что разомкнутые наискорейшие маршруты облета заданных точекне обладают свойствами, присущими замкнутым маршрутам. В частности, дляразомкнутых наискорейших маршрутов в отличии от замкнутых может наблюдатьсяэффект уменьшения времени полета по наискорейшему маршруту с ростом скоростиветра.2.

Предложен единый подход к математической формализации различныхпостановок задач планирования оптимального маршрута полета легкого БПЛА наоснове аппарата булева линейного программирования с последующим использованиемпри получении решения эффективной в вычислительном плане процедурыитеративного исключения «подциклов».3. Предложен и решен ряд новых постановок задач планирования маршрутовполета легких БПЛА, предусматривающих использование разомкнутых маршрутовполета с возможностью выбора точки старта и (или) финиша.4. Предложена методика, позволяющая с учетом действия ветра в зоне полетанаходить множество маршрутов легкого БПЛА, каждый из которых связываетмаксимально возможное количество известным образом расположенных равноценныхточек, с учетом ограничения на продолжительность полета, а также принадлежащийэтомумножествунаискорейшиймаршрут.Методикапредусматриваетпоследовательное решение двух определенным образом составленных, связанныхмежду собой задач булева линейного программирования.5.

Предложена методика, позволяющая с учетом действия ветра в зоне полетанаходить множество маршрутов легкого БПЛА, каждый из которых с учетомограничения на продолжительность полета связывает такое подмножество известнымобразом расположенных неравноценных точек, что эффект от их включения в маршрутявляется максимальным. Методика также предусматривает сужение найденного4множества оптимальных решений путем нахождения парето-оптимального множествамаршрутов. При этом в качестве дополнительных показателей эффективностииспользуется фактическое время полета по маршруту и количество точек в неговходящих.6. Проведен анализ нескольких разработанных автором вариантов программноалгоритмического обеспечения оптимальной маршрутизации полета легкогобеспилотного летательного аппарата в поле постоянного ветра.

На основе анализаполученных оценок быстродействия, требующегося объема оперативной памяти ипредельных размеров устойчиво решаемых задачбыло продемонстрированопреимущество программно-алгоритмического обеспечения, в котором используютсяпроцедура последовательного исключения подциклов и функция cplexbilp пакетаCPLEX.7. Предложены принципы построения, а также соответствующий импрограммный комплекс решения задач планирования полета легких БПЛА.Особенностью разработанного прикладного программного обеспечения является егооткрытая архитектура, а также наличие быстродействующего программного ядра,использующего функцию cplexbilp пакета CPLEX, и специализированногопериферийного программного обеспечения, обеспечивающего работу ядра.Практическаязначимостьрезультатовисследования.Результаты,полученные в диссертационной работе, могут быть востребованы как при эксплуатациилегких БПЛА, так и при создании перспективных образцов таких аппаратов.