Диссертация (Планирование маршрута полета легкого беспилотного летательного аппарата с учетом действия ветра), страница 4

и его учениками [28, 29]. Этот подходпредусматривает использование так называемого направляющего конуса, илиэллипса. С математической точки зрения такой подход предполагает уход отиспользования процедур точного решения NP-полной задачи, за счет разбиенияпроцесса маршрутизации на определенные этапы и введения в рассмотрение такназываемых областей притяжения, имеющих форму эллипсов. Это позволяетснизить вычислительную сложность задачи, однако при этом методика даетприближенное решение задачи. Не противопоставляя приближенные методы20точным, следует при этом отметить, что отказ от получения точного решенияявляется как правило вынужденным.Традиционным при решении задач маршрутизации является рассмотрениезамкнутых маршрутов.

Обсуждение разомкнутых маршрутов в некоторых работах[11, 72] возникает в связи с дискретным описанием пространства, в которомдвижется БПЛА, то есть оно не обусловлено дискретной природой маршрутныхточек. В то же время разомкнутые маршруты в определенных ситуациях могутпредставлять интерес. Например, легкие мультикоптеры, имеющие весьмаограниченные энергоресурсы, часто совершают маршрутные перелеты междустанциями подзарядки.

В литературе не нашли отражение задачи маршрутизацииполета при условии, что точки начала и окончания маршрута не являются жесткоопределенными, а могут выбираться при решении задачи планирования маршрутаиз определенного допустимого множества вариантов.Существенным вопросом при обсуждении проблематики маршрутизацииполета легких БПЛА является вопрос анализа влияния скорости и направленияветра в зоне полета на результаты решения задачи планирования маршрута.Впервые в [34, 58, 59] было проведено исследование данного вопросаприменительнокзамкнутыммаршрутамполета.Быливыявленыисформулированы свойства, присущие наискорейшим замкнутым маршрутамоблета набора маршрутных точек в поле постоянного ветра. Таким образом быласформирована достаточно целостная картина влияния ветра на решение задачипланированиянаискорейшихзамкнутыхмаршрутовполета.Подобногоисследования применительно к разомкнутым наискорейшим маршрутам полета допоявления работ соискателя опубликовано не было.Поскольку задачи планирования маршрута полета традиционно сводятся кразличного рода оптимизационным постановкам, особое внимание авторовпривлекаютпроцедурырешениятакихпостановокисоответствующеепрограммное обеспечение.

Вычислительные проблемы, возникающие при решении21задач линейного программирования с булевыми переменными, хорошо известны[8].Влитературематематическую[55]сторонуимеютсяделаориентированныеисследованияисключительноэффективностинаразличныхалгоритмов решения таких задач и реализующих их вычислительных процедур.Отдельно обсуждались вопросы программной реализации различных алгоритмов ивычислительных процедур решения задач указанного типа, исследовалась ихэффективность [30, 52]. Естественно перечисленные вопросы рассматривались вотрыве от специфики конкретных технических задач. В практических ситуацияхалгоритмы,вычислительныепроцедурыиихпрограммнаяреализацияпредставляют собой единый комплекс. Таким образом вопросы рациональногокомплексирования в едином программном комплексе уже известных алгоритмов соригинальнымивычислительнымипроцедурами,отражающимиспецификуконкретных задач маршрутизации представляются проработанными недостаточно.В последнее время, судя по литературе [64, 72, 73, 74, 77], математическаяформализация задачи маршрутизации полета как задачи линейного булевапрограммирования рассматривается как наиболее перспективная.

В определеннойстепени этому способствует возможность получения при таком способеформализации задачи ее точного решения. При этом в публикациях, посвященныхзадачамоптимальногопланированиямаршрутаполета,фактическинеисследовалась ситуация, когда такая задача имеет множество решений.Подводяитогианализапроблематикипланированияоптимальныхмаршрутов полета легких БПЛА, перечислим основные вопросы, которые наданный момент не нашли достаточно полного отражения в литературе:1. Использование для легких БПЛА оптимальных разомкнутых маршрутов.Такие маршруты с учетом ограниченной энергетики современных аппаратовособенно при действии ветра в зоне полета могут представлять практическийинтерес.222.Анализ характера влияния ветра в зоне полета на решение задачинаискорейшей маршрутизации полета в классе разомкнутых маршрутов.

Такогорода анализ проводился только для замкнутых маршрутов. Результаты указанногоанализа позволяют выявить «физику» влияния постоянного ветра на результатырешения задачи построения наискорейших разомкнутых маршрутов облета.3. Оптимальная маршрутизация полета БПЛА с учетом действия ветра,предусматривающая использование разомкнутых маршрутов с возможностьюодновременного выбора точек «старта» и «финиша». Применение разомкнутыхмаршрутов в отличие от замкнутых предоставляет такую возможность. Вперспективе маршрутизация полета в таких «комбинированных» постановкахвполне может оказаться востребованной.4.Применениекомбинацииматематическойформализациизадачоптимальной маршрутизации полета БПЛА как задач булева линейногопрограммирования с последующим использованием для их решения эффективной ввычислительном плане процедурыитеративного исключения «подциклов».Применение такой комбинации открывает возможности повышения размера задачмаршрутизации, для которых возможно устойчивое получение точного решения.5.

Методика нахождения множества решений задачи оптимальноймаршрутизации облета как равноценных, так и неравноценных точек в условияхдействия ветра с учетом ограничения на продолжительность полета. Такаяметодика позволяет проводить дальнейшую оптимизацию на найденноммножествемаршрутовсиспользованиемдополнительныхпоказателейэффективности.6. Формулировка и решение задач многокритериальной оптимизации намножестве маршрутов полета легкого БПЛА, обеспечивающих максимальныйэффект от включения в маршрут неравноценных точек при ограничении на времяполета. Такой «двухступенчатый» вариант решения задачи маршрутизации23открывает возможность при выборе окончательного решения вводить врассмотрение и учитывать различные дополнительные показатели эффективности.7.

Рациональное комплексирование оригинального специализированногопрограммно-алгоритмического обеспечения и стандартного программногообеспечения в единый программный комплекс решения задач маршрутизацииполетаБПЛА.Рациональноекомплексированиеспециализированногоистандартного программного обеспечения является эффективным способомповышения возможностей разрабатываемых программных комплексов в первуюочередь в плане повышения быстродействия, снижения требующегося объемаоперативной памяти и увеличения предельных размеров устойчиво решаемыхзадач маршрутизации.8.

Принципы и архитектура построения, программного комплекса решениязадач маршрутизации полета легких БПЛА. Рациональная архитектура ипринципы построения такого комплекса важны как в плане повышения еговозможностей, так и в плане дальнейшего развития с целью расширения спектрарешаемых задач маршрутизации.1.2. Специфика легких беспилотных летательных аппаратов как объектауправления и ее отражение в задаче маршрутизации полетаОпределенное затруднение для выделения из множества БПЛА некоторогоподмножествааппаратов,которымприсущиопределенныехарактерныеособенности, обусловлено разнообразием аппаратов, в него входящих.

Кроме того,наблюдается постоянный и весьма быстрый рост количества аппаратов, исоответственно появление новых их разновидностей. Так, согласно [3] за период с2016 по 2020 год емкость мирового рынка БПЛА, в долларовом исчислении,вырастет примерно на 30%, а российского на 50% (рисунок 1.1).24Рис. 1.1. Оценка емкости мирового рынка БПЛА в млрд. долларов спрогнозом на 2020 г.Также непрерывно расширяется спектр областей применения БПЛА.Например, согласно [3] основные области применения БПЛА к 2012 годувыглядели следующим образом (рисунок 1.2). Хорошо видно, что по прошествиивсего нескольких лет приведенная на рисунке 1.2 схема требует коррекции,поскольку должна быть, например, дополнена такой областью применения БПЛАкак транспортные и курьерские услуги.25Рис.

1.2. Использование БПЛА для различных видов гражданскойдеятельности.Известные способы классификации БПЛА [26, 46, 56, 68, 70], предполагаютиспользование в качестве классификационных таких признаков как тип управления(управляемые автоматически, управляемые оператором с пункта управления,гибридные), максимальнаявзлетнаямасса (тяжелые, средние, легкие исверхлегкие), дальность действия (среднего радиуса, малого радиуса, ближнегорадиуса), высота применения (высотные, средневысотные, низковысотные),назначение (военные и гражданские). В частности, классификация БПЛА помаксимальной взлетной массе приведена в таблице 1.1.26Таблица 1.1. Классификация БПЛА по максимальной взлетной массеКлассБПЛАСреднетяжелыеБПЛАВзлетныйвес, кгдо 1000Дальность,кмдо 300Скорость,Времякм/чполета, часовдо 320до 15ТипичныепредставителиRQ-5 Hunter,Данэм,Hermes 450,AerostarФото внешнего видаRQ-5 HunterAerostarСредниеБПЛАдо 300до 250до 580до 12Иркут-200,RQ-6 Outrider,RQ-2 PioneerRQ-6 OutriderИркут-20027ЛегкиеБПЛАмалого исреднегорадиусадействиядо 100до 150от 50 до200до 10Supercam 350,Инспектор-301,Т10Э,Zala 421-16Иркут-10Supercam 350Инспектор-301Микро- идо 5мини-БПЛАдо 40от 50 до120до 2ZALA 421-08,Gatewing X100,Trimble UX5,DJI Phantom 4 Proквадрокоптер,DJI Inspire 2квадрокоптерTrimble UX5DJI Inspire 2 квадрокоптер28В таблице 1.2 по данным [69] приведены технические характеристикинескольких моделей квадрокоптеров.№12345678910111213141516Таблица 1.2.

Технические характеристики нескольких моделейквадрокоптеровМодельВремя полета,ДальностьСкоростьминуправления, км полета, км/чParrot Bebop Drone30До 2До 652 PowerYuneec Typhoon H25До 1.6До 70DJI Mavic Pro27До 7До 65DJI Phantom 4 Pro30До 7До 72DJI Inspire 225До 7До 93GoPro Karma25До 1До 57Yuneec Typhoon25До 0.8До 35Q500 4KAutel Robotics X25До 2До 56Star PremiumDJI Phantom 430До 7До 72AdvancedPhantom 323До 5До 57.6ProfessionalPhantom 428До 5До 72Inspire 118До 5До 80Mi Drone27До 2До 65Kanma20До 1До 54Voyager 325-30До 2До 43.2Solo Drone25До 0.9До 88В рамках диссертации рассматривается подмножество аппаратов,которые в дальнейшем будут объединяться под общим термином «легкие».Характерными особенностями таких аппаратов является то, что:1.