Диссертация (Планирование маршрута полета легкого беспилотного летательного аппарата с учетом действия ветра), страница 3

Москва, МАИ, 05-20 апреля 2017г.)- 22-ой Международной научной конференции «Системный анализ, управлениеи навигация» (г. Евпатория, Крым, 2 - 9 июля 2017г.)Основные результаты диссертационной работы опубликованы в четырехстатьях [36, 37, 39, 45] в журналах, входящих в рекомендованный ВАКомМинобрнауки России перечень изданий, и в восьми работах [38, 40, 41, 42, 43, 44,60, 61] в сборниках тезисов докладов на научно-технических конференциях.Структура и объем диссертационной работыДиссертационная работа состоит из введения, четырех раздел, заключения,списка литературы из 77 наименований.

Текст диссертации изложен на 150машинописных страницах, включает 64 рисунка и 17 таблиц.Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированыцель и задачи исследования, отмечена научная новизна и практическая значимостьполученных результатов, приведены основные положения диссертационнойработы, выносимые на защиту, а также сведения об апробации результатовдиссертационной работы.

Описана структура диссертационной работы и данократкое содержание ее разделов.14В первом разделе описан класс аппаратов, для которых в диссертационнойработе разработаны методики планирования маршрута полета. Эти аппараты вдальнейшем называются легкими. По своим летно-техническим характеристикамони входят в группы микро, мини и легких БПЛА малого радиуса действия. Длялегких БПЛА характерным является то, что они, в силу своих тактико-техническиххарактеристик (ТТХ), при выполнении маршрутного полета существенноподвержены воздействию ветра, поскольку их воздушная скорость сопоставима свозможными скоростями ветра в зоне полета.

С другой стороны, те же особенностиТТХ позволяют при планировании маршрута полета легких аппаратов справедливосчитать направление и скорость ветра в зоне полета постоянными.Дан содержательный анализ проблематики маршрутизации полета легкихБПЛА в контексте передовых результатов, опубликованных в мировой научнойлитературе.

Отмечено, что несмотря на большой объем публикаций по даннойтематике в настоящее время остаются нерешенными многие вопросы. Это, вчастности,вопросыматематическойформализациизадачоптимальноймаршрутизации, разработки методик маршрутизации и высокопроизводительногопрограммно-алгоритмического обеспечения решения задач маршрутизации.Приведена обобщенная постановка задачи маршрутизации полета легкогоБПЛА в поле постоянного ветра.

Сформулированы основные допущения,вытекающие из особенностей ТТХ легких БПЛА и специфики их целевогоприменения. Предложена систематика задач маршрутизации полета легких БПЛА,наглядно отражающая особенности постановок задач маршрутизации полета такихаппаратов, и позволяющая сравнительно легко ориентироваться в множестве этихзадач и подчеркнуть общее и отличное в каждой из них.Во втором разделе предложен единый подход к математическойформализации различных постановок задач планирования оптимального маршрутаполета легкого БПЛА на основе аппарата булева линейного программирования споследующимиспользованиемприполучениирешенияэффективнойввычислительном плане процедуры итеративного исключения «подциклов».15Предложен и решен ряд новых постановок задач планирования маршрута полетаБПЛА,предусматривающихиспользованиеразомкнутыхмаршрутовсодновременным выбором точек начала и (или) окончания маршрута.

Былопроведено параметрическое исследование влияния направления и скоростипостоянного ветра на результаты решения задачи разомкнутой маршрутизации.Было показано, что для разомкнутых наискорейших маршрутов в отличии отзамкнутых может наблюдаться эффект уменьшения времени полета понаискорейшему маршруту с ростом скорости ветра. Однако эта особенностьстановится менее ярко выраженной с ростом количества точек, связываемыхмаршрутом.В третьем разделе предложена методика нахождения замкнутого маршрутаполета легкого БПЛА, который связывает максимальное количество равноценныхточек, находящихся в поле постоянного ветра, с учетом ограничения на времяполета, причем полученный маршрут является наискорейшим из всех маршрутов,связывающих это количество точек.

Методика предусматривает последовательноерешение специальным образом сформированных основной и вспомогательнойзадач маршрутизации, которые связаны между собой и в математическом планепредставляют собой задачи линейного булева программирования. На первомопределяется максимальное количество точек, соединяемых маршрутами, времяполета по которым не превышает допустимого. На втором этапе среди этихмаршрутов определяется наискорейший.

Показано, что задачи, решаемые на обоихэтапах, являются задачами булева линейного программирования.В разделе также предложена методика решения задачи оптимальногопланирования маршрута полета с учетом неравноценности маршрутных точек приограничении на время полета.При этом используется аддитивный критерий,каждое слагаемое которого определяется эффектом от включения в маршрутсоответствующей точки.16В четвертом разделе проведен анализ нескольких разработанных вариантовпрограммно-алгоритмического обеспечения оптимальной маршрутизации полеталегкого БПЛА в поле постоянного ветра. На основе анализа полученных оценокбыстродействия,требующегосяобъемаоперативной памятиипредельныхразмеров устойчиво решаемых задачпоказано преимущество программно-алгоритмическогокоторомобеспечения,виспользуютсяпоследовательного исключения подциклов и функцияпроцедураcplexbilp пакета CPLEX.Особенностью разработанного прикладного программного обеспечения являетсяего открытая архитектура, а также наличие быстродействующего программногоядра на основе функции cplexbilp пакета CPLEX и специализированногопериферийного программного обеспечения, обеспечивающего работу ядра.Указанные особенности позволяют наращивать возможности разработанногоприкладного обеспечения как в части быстродействия за счет совершенствованияядра, так и в части решения новых видов задач маршрутизации за счет развитияпериферийного программного обеспечения.171.

ПРОБЛЕМАТИКА МАРШРУТИЗАЦИИ ПОЛЕТА ЛЕГКОГОБЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С УЧЕТОМ ДЕЙСТВИЯВЕТРАВ данном разделе проведен анализ основных проблем, возникающих прирешении задач планирования маршрута полета легких БПЛА на основе передовыхрезультатов, опубликованных в мировой научной литературе. Отмечено, чтонесмотря на большой объем публикаций по данной тематике в настоящее времяостаются нерешенными многие вопросы.

Описан класс аппаратов, называемых вдальнейшем легкими, отмечены специфические особенности, присущие такимаппаратам.СформулированамаршрутизацииполетаобобщеннаяБПЛАитехническаяосновныепостановкадопущения,задачивытекающиеизособенностей, присущих легким БПЛА, и специфики их целевого применения. Вразделе предложен принцип и проведена систематизация задач планированиямаршрута полета, позволяющая сравнительно легко ориентироваться в множествеэтих задач и подчеркнуть общее и отличное в каждой из них.1.1.

Содержательный анализ проблемы маршрутизации полета легкогобеспилотного летательного аппаратаКнастоящемувремениопубликованобольшоеколичестворабот,посвященных различным аспектам создания и целевого применения легких БПЛА.Достаточно высокую степень проработки этого направления исследованийотражает ряд фундаментальных работ, носящих обобщающий и концептуальныйхарактер. В них в том числе рассмотрены вопросы организации целевогофункционирования БПЛА, включая планирование маршрута полета и смежные сэтим вопросом проблемы. К такого рода работам можно отнести книгу Рэндала У.Биарда, Тимоти У. МакЛэйна [53], монографии [32, 46] Моисеева В.С.,монографию [11] Красильщикова М.Н., Евдокименкова В.Н., Оркина С.Д.,двухтомник [15], подготовленный авторским коллективом в составе Верба В.С.,Злотников К.А., Татарский Б.Г., Прищепа Ю.В., Слесарев А.Ю.

и др.18Анализ опубликованных материалов показывает, что классической длязадачи планирования маршрута полета легких БПЛА является ее формализация какзадачи коммивояжера [7, 32, 35, 46, 51, 53]. Построение маршрута полета сводитсяк формированию последовательности облета точек, расположение которых наземной поверхности считается априори заданным.

При этом в качествеминимизируемого критерия выступает протяженность маршрута. В традиционныхпостановках решение ищется в виде замкнутого маршрута полета, связывающеговсе заданные своим местоположением точки, причем через каждую точку БПЛАпролетает только один раз, то есть маршрут не имеет петель. Таким образом, сматематической точки зрения речь идет о трактовке задачи маршрутизации полетакак классической замкнутой задачи коммивояжера. В указанных работах неучитывается возможное влияние ветра на БПЛА при его движении по маршруту,или предполагается, что скорость ветра в зоне полета пренебрежимо мала. С учетомпоследнего,припостояннойвоздушнойскоростиполетаминимизацияпротяженности маршрута оказывается тождественной минимизации времениполета по маршруту. Как отмечается в [46], минимизация времени полета помаршруту при постоянной воздушной скорости аппарата фактически означаетснижение расхода ограниченных энергоресурсов БПЛА, а кроме того обеспечиваетповышение оперативности выполнения миссии полета.

Отметим, что матрицакоммивояжера при этом оказывается симметричной. Для легких БПЛА, воздушнаяскорость которых соизмерима с возможными скоростями ветра в зоне полета, учетветра при планировании маршрута является принципиальным. В [35] показано, чтовремя полета по наискорейшему маршруту для фиксированного наборамаршрутных точек из-за влияния ветра может возрастать на 30 – 40 процентов.Соответственно в ряде работ, например, [35, 73] путевая скорость движения БПЛАопределяется с учетом действия в зоне полета постоянного ветра, имеющегоизвестную скорость и направление.

При этом минимизируется продолжительностьполета, определяемая с учетом действия ветра. Матрица коммивояжераоказывается в этом случае несимметричной.19В работах [13, 64, 72, 73, 74, 77] авторы отказались от сведения задачмаршрутизации к разновидностям задачи коммивояжера в пользу использованияболее мощного общего формализма линейного булева программирования.Перспективность такого подхода обусловлена возможностью учета большегоколичества факторов, существенных с точки зрения целевой эффективности БПЛА,а также ограничений, природа которых связана как с характеристиками ивозможностями самого БПЛА, так и особенностями целевых задач, для решениякоторых предназначен БПЛА.

В частности, в [36] оптимальный маршрут находитсяс учетом ограничения на допустимую продолжительность полета БПЛА. В [41]такой подход позволяет учесть неравноценность точек, включаемых в маршрут.Задачи, в которых учитываются дополнительные ограничения и неравноценностьточек не могут быть сведены к классической постановке коммивояжера. Поэтомуихпредлагаетсяматематическиформализоватькакзадачилинейногопрограммирования с булевыми переменными [1, 62]. Этот вариант математическойформализации имеет определенныепреимущества и открывает хорошиеперспективы для рассмотрения широкого спектра постановок, в которых,например, можно учитывать различные дополнительные ограничения, которыечасто встречаются при постановке задач маршрутизации полета БПЛА.Другойдинамическогоподход,предусматривающийпрограммированияразвиваетсяиспользованиевработах,формализмавыполненныхпрофессором Лебедевым Г.Н.