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

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯМОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)«МАИ»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)Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:Кандидат технических наук, доцентМоисеев Д.

В.Москва - 2017 год2Перечень основных сокращений и обозначенийБПЛАБеспилотный летательный аппаратТТХТактико-технические характеристики3ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................. 61.ПРОБЛЕМАТИКАМАРШРУТИЗАЦИИПОЛЕТАЛЕГКОГОБЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С УЧЕТОМ ДЕЙСТВИЯВЕТРА ........................................................................................................................ 171.1.Содержательныйанализпроблемымаршрутизацииполеталегкогобеспилотного летательного аппарата ........................................................................

171.2. Специфика легких беспилотных летательных аппаратов как объектауправления и ее отражение в задаче маршрутизации полета .................................. 231.3. Обобщенная постановка задачи маршрутизации полета легкого беспилотноголетательного аппарата ............................................................................................... 301.4. Систематика задач маршрутизации полета легких беспилотных летательныхаппаратов ....................................................................................................................

351.5. Выводы по разделу 1 ........................................................................................... 382. ПЛАНИРОВАНИЕ МАРШРУТА ПОЛЕТА ЛЕГКОГО БЕСПИЛОТНОГОЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ПО РАЗОМКНУТОМУ МАРШРУТУ СУЧЕТОМ ДЕЙСТВИЯ ВЕТРА .............................................................................. 392.1. Техническая постановка задачи оптимизации разомкнутых маршрутов в полепостоянного ветра ...................................................................................................... 402.2.

Математическая постановка задачи оптимального планирования разомкнутогомаршрута полета ........................................................................................................ 412.3. Процедура решения и модельные примеры расчета разомкнутых маршрутовполета .......................................................................................................................... 462.4. Примеры нахождения наискорейших разомкнутых маршрутов при разныхвариантах информации о точках начала и конца маршрута ....................................

542.5. Параметрический анализ задачи планирования разомкнутого маршрута полетав поле постоянного ветра ........................................................................................... 592.6. Выводы по разделу 2 ........................................................................................... 6643. ПЛАНИРОВАНИЕ МАРШРУТА ПОЛЕТА ЛЕГКОГО БЕСПИЛОТНОГОЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В ПОЛЕ ПОСТОЯННОГО ВЕТРА СУЧЕТОМ ОГРАНИЧЕНИЯ НА ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ПОЛЕТА ......... 673.1. Планирование маршрута облета легким беспилотным летательным аппаратомравноценных точек с учетом ограничения на продолжительность полета ............ 683.1.1.Техническаяпостановказадачипланированиямаршрутаоблетаравноценных точек с учетом ограничения на продолжительность полета .........

683.1.2.Математическаяформализацияипостановкаосновнойзадачипланирования маршрута облета равноценных точек с учетом ограничения напродолжительность полета ..................................................................................... 703.1.3. Процедура и анализ решения основной задачи планирования маршрутаоблета равноценных точек с учетом ограничения на продолжительность полета.................................................................................................................................. 723.1.4.

Математическая постановка вспомогательной задачи................................ 773.1.5. Решение вспомогательной задачи для модельного примера ...................... 783.1.6. Пример составления оптимального маршрута облета равноценных точек сучетом ограничения на продолжительность полета ............................................. 793.2. Планирование маршрута облета легким беспилотным летательным аппаратомнеравноценных точек с учетом ограничения на продолжительность полета ......... 833.2.1.Техническаяпостановказадачипланированиямаршрутаоблетанеравноценных точек с учетом ограничения на продолжительность полета ...... 843.2.2.Математическаяформализацияипостановкаосновнойзадачипланирования маршрута облета неравноценных точек с учетом ограничения напродолжительность полета .....................................................................................

853.2.3. Пример решения основной задачи планирования маршрута облетанеравноценных точек с учетом ограничения на продолжительность полета и егоанализ ....................................................................................................................... 873.2.4. Парето-оптимальное множество маршрутов облета неравноценных точек сучетом ограничения на продолжительность полета и его нахождение ............... 913.3.

Выводы по разделу 3 ........................................................................................... 9554. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС «UAVROUTING» ОПТИМАЛЬНОГОПЛАНИРОВАНИЯ МАРШРУТА ПОЛЕТА ЛЕГКОГО БЕСПИЛОТНОГОЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА............................................................................. 974.1. Процедура и результаты сравнительного тестирования вариантов программноалгоритмического обеспечения решения задач планирования маршрута полеталегкого беспилотного летательного аппарата .......................................................... 984.1.1.

Одномоментное добавление ограничений, исключающих все возможныеподциклы с использованием функции оптимизации bintprog пакета MATLAB(вариант 1) ............................................................................................................... 984.1.2. Совместное применение процедуры последовательного запрета подциклов ифункции оптимизации bintprog пакета Matlab (вариант 2) ................................... 1014.1.3.

Совместное применение процедуры последовательного запрета подциклови функции оптимизации cplexbilp пакета CPLEX (вариант 3) ........................... 1034.1.4. Сравнение эффективности вариантов ........................................................ 1044.2. Общая характеристика и архитектура программного комплекса «UAVRouting»................................................................................................................................... 1054.3. Графический интерфейс пользователя программного комплекса «UAVRouting»...................................................................................................................................

1084.4. Описание основных функций программного комплекса «UAVRouting» ...... 1114.5. Пример работы программного комплекса «UAVRouting» ............................. 1334.6. Выводы по разделу 4 ......................................................................................... 137ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................................................................................................... 139СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ .......................................... 1416ВВЕДЕНИЕВ настоящее время беспилотные летательные аппараты (БПЛА) являютсяодним из наиболее динамично развивающихся видов авиационной техники иактивно используются при решении широкого спектра задач. Это обусловлено тем,что БПЛА гораздо дешевле пилотируемых аппаратов, проще в обслуживании,кроме того, они могут применяться в ситуациях, угрожающих жизни пилота.Изначально применение БПЛА ограничивалось в основном военными целями [4,10, 20, 31, 57].

Сейчас большое количество БПЛА разрабатывается исоответственно применяется для решения хозяйственных задач. В частности,особое внимание уделяется использованию беспилотной авиации для сбораинформации при чрезвычайных ситуациях, а также для обеспечения работытелекоммуникаций, проведения метеорологических измерений, экологическогомониторинга, контроля трубопроводов, патрулирования границ [9, 16, 17, 19, 21,22, 25, 27, 48, 63]. Получаемая с помощью БПЛА информация используется винтересах сельского хозяйства [14, 63], строительства [50], землепользования илесного хозяйства.Сравнительнонедавнобольшаячастьбеспилотныхаппаратовиспользовалась в основном для решения задач, связанных со сбором информациипри наблюдении за наземными объектами.

Соответственно в литературе [32, 46]такие БПЛА классифицировались как информационные. С появлением и активнымразвитиеммультикоптерныхтехнологийрасширилисьвозможностииспользования БПЛА для решения задач, связанных с доставкой грузов [54].Общим при выполнении как информационных, так и транспортных миссийявляется то, что целевое функционирование БПЛА «привязано» к земнойповерхности. Действительно, в процессе полета для решения целевой задачи БПЛАдолжен оказываться над определенными точками земной поверхности. В связи сэтим возникает так называемая задача маршрутизации полета [2, 11, 32, 46].Маршрут полета указывает очередность пролета БПЛА над заданными точкамиземнойповерхности.Такимобразом,маршрутпредставляетсобой7последовательность номеров точек с известным местоположением, называемыхиногда маршрутными, или поворотными [46].

Задача планирования маршрутарешается перед полетом и является частью этапа предполетной подготовки.Решение этой задачи существенно влияет на целевую эффективность БПЛА.Соответственно возникает интерес к рассмотрению задач маршрутизации полетакак оптимизационных.В ряде работ [32, 46] указывается, что магистральным направлением развитиябеспилотных технологий является внедрение автоматизации не только дляуправления движением БПЛА, но и для планирования маршрутов полета. Этоповышает надежность беспилотных комплексов, снижая негативное влияния«человеческого фактора». Кроме того, появляются дополнительные возможностиповышения эффективности целевого применения БПЛА за счет оптимизацииосновных этапов его целевого функционирования. Различные этапы целевогофункционирования БПЛА в разной степени доступны для автоматизации.