Диссертация (Планирование маршрута полета легкого беспилотного летательного аппарата с учетом действия ветра), страница 5

Воздушная скорость таких аппаратов сравнительно невелика исоизмерима с возможной в зоне полета скоростью ветра.2. Зона полета относительно невелика, ее радиус может достигать 10-20 км.293. Время полета с учетом диапазона воздушных скоростей, возможнойскорости ветра в зоне полета, запаса энергоресурсов БПЛА как правило непревосходит 30 – 90 минут.Судя по таблице 1.1 к легким аппаратам можно отнести аппараты,вошедшие в эту таблицу как мини и микро БПЛА. В качествепредставителей легких БПЛА можно рассматривать беспилотный самолетTrimble UX5 предназначенный для аэрофотосъемки и видеосъемки [67] или,например, БПЛА Supercam X6. Технические характеристики БПЛА«Trimble UX5» приведена в таблице 1.3.Таблица 1.3.

Технические характеристики БПЛА Trimble UX5Размах крыльевВес100 см2.5 кгкарбоновый усиленный, ЕРРМатериал корпусаструктура, композитные элементыДвигательэлектрический, 700 Вт2 литиево-полимерныхИсточник питанияаккумулятора, 14 В, 6000 мАчПозиционированиевстроенный GPS модульSony NEX-5R (сохранение снимковЦифровая фотокамера (встроенная)на сменную карту памяти)Рабочая высота полета75-750 м (стандартная 150 м)Максимальная дальность полета на60 кмодной зарядке аккумуляторов60-65 км/ч (максимальная до 130Скорость полетакм/ч) кгВзлётс катапультыПосадкаНа фюзеляжПродолжительность полётадо 50 минутза один полет продолжительностью40 минут - до 1000 снимков с 70%Производительность системыпродольным и 60% поперечнымперекрытием (территория до 2 км2)кгПогодные условия: ветер до 65Погодные условиякм/ч, слабый дождь или снегДиапазон рабочих температур: от Диапазон рабочих температур5° до + 35° С301.3. Обобщенная постановка задачи маршрутизации полета легкогобеспилотного летательного аппаратаГоворя о постановке задачи планирования маршрута полета следуетотметить, что в публикациях (в первую очередь зарубежных) имеетсяособенность использования таких терминов как «планирование маршрута»,или «формирование маршрута».

Как правило, в этих публикацияхрассмотрены задачи кинематики или динамики движения БПЛА в процессесовершения ими различных маневров на сравнительно коротких участкахполета. Такие постановки фактически относятся не к решению задачивыбора маршрута полета, а к задаче формирования траектории полета, чтоявляется самостоятельной проблемой. Статей, в которых обсуждаетсяпроцедура составления оптимального в том или ином смысле маршрута втечение всего полета БПЛА оказывается существенно меньше.В задачах планирования маршрута полета обычно используются такиепонятия как промежуточные пункты маршрута [11, 12], опорные точки [51],поворотные пункты и точки маршрута [45].

Аналогично в англоязычныхисточниках используются такие термины, как return point [73], points ofinterest [76], waypoints [73]. Все приведенные термины обозначают одно ито же – точку на земной поверхности, координаты которой известны и надкоторой БПЛА должен пролететь в процессе выполнения полетной миссии.Это понятие используется для привязки маршрута полета к земнойповерхности. Каждой маршрутной точке присваивается свой номер.Маршрут указывает последовательность номеров маршрутных точек, надкоторымипролетаетБПЛА.Графическимаршрутизображаетсяаппроксимацией трассы полета в виде отрезков прямых, которые связываютмаршрутные точки (рисунок 1.3).Понятие маршрутной точки может иметь разное физическоесодержание. Например, в [7] это геометрический центр определенного31района земной поверхности, в [73] это точка на земной поверхности,находясь над которой БПЛА, может снимать представляющий интересобъект с помощью бортовой камеры под определенным ракурсом.Рис.

1.3. Схематичное изображение маршрута полетаПри выполнении курьерских и транспортных операций такая точкаочевидно имеет координаты клиента. Таким образом, используя понятиемаршрутной точки можно при внешней простоте этого инструментадостаточно корректно задать множество точек на земной поверхности, надкоторыми должен пролететь БПЛА в процессе выполнения своей миссии.Следует подчеркнуть, что в диссертационной работе речь идет о такназываемых «территориально распределенных» [51] точках. Расстояниемежду этими точками таково, что составление маршрута полета неэквивалентно построению траектории полета.

Это обстоятельство имеет32существенное значение при определении времени полета по маршруту ибудет подробнее обсуждаться во втором разделе работы.Исходныеданные,которыеиспользуютсядляпланированиямаршрута полета, можно разделить на информацию о целевой ситуации иданные о характеристиках БПЛА. Целевая ситуация задается с помощьюинформации о местоположении точек, которые надо связать маршрутом, ихарактеристиках ветра в зоне полета.

При необходимости в описаниецелевой ситуации может входить иная дополнительная информация,обусловленная спецификой рассматриваемой задачи маршрутизации. Это вчастности может быть информация о приоритетах маршрутных точек, атакже данные о том какие точки являются точками начала (старта) иокончания (финиша) маршрута.Под характеристиками БПЛА в данном случае понимается еговоздушнаяскоростьпримаршрутномполетеидопустимаяпродолжительность полета, если она ограничена. Результаты решениязадачи маршрутизации представляют собой последовательность облетавсех, или части заданных точек.Исходные данные, используемые для решения задачи планированиямаршрута, схематично представлены на рисунке.

1.4.33ЦЕЛЕВАЯ ОБСТАНОВКАХАРАКТЕРИСТИКИ БПЛА- Координаты маршрутных точек- Приоритет точек (при наличии)- Направление и скорость ветра взоне полета- Координаты точки старта- Координаты точки финиша (приналичии)- Воздушная скорость БПЛА- Допустимое время полетаРЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ПЛАНИРОВАНИЯМАРШРУТА ПОЛЕТАРис. 1.4. Схема отражающая исходные данные и результат решения задачипланирования маршрута полетаОбобщенная постановка задачи планирования маршрута полетаформулируется следующим образом.

Найти оптимальный в определенномсмысле маршрут полета БПЛА, связывающий все, или часть точек сизвестным местоположением, с учетом информации о ветре в зоне полета иограничениях,обстановки,наложенных наатакжехарактеристикамимаршрут из-заограничениях,БПЛА.Наиболееспецифики целевойобусловленныхтехническимираспространеннымявляетсяограничение, обусловленное ограниченным запасом энергоресурсов наборту БПЛА. Решение задачи маршрутизации полета ищется в видезамкнутого, или разомкнутого маршрута, связывающего все, или частьзаданных маршрутных точек. Трасса не должна иметь разрывов – это такназываемое условие физической реализуемости маршрута. Предполагается,что маршрутные точки могут включаться в маршрут не более одного раза.В качестве критерия обычно выступает время полета по маршруту [71,75].

Стремление уменьшить время облета маршрутных точек объясняетсяжеланием снизить расход бортового запаса энергоресурсов и повыситьоперативность доставки целевой информации [29, 35]. При ограничении на34время полета по маршруту в качестве критерия используется количествоточек, которые удалось включить в маршрут [36, 42]. В случаенеравноценных точек в качестве критерия рассматривается сумма «весов»,или «приоритетов» точек, включенных в маршрут [41, 72].Учетветраприсоставлениимаршрутаполетаявляетсяпринципиальным для легких аппаратов, имеющих относительно невысокуювоздушную скорость. Особенностью задачи маршрутизации полета сучетом ветра является то, что при расчете времени полета по маршрутувремя перелета между парами точек маршрута принимается минимальновозможным.

Таким образом, время перелета между парами точек должноопределяться в результате решения соответствующей задачи оптимизации.В поле постоянного ветра, когда его скорость и направление в зоне полетаостаются неизменными в течение всего полета, решение такой задачиприведено в [35]. Оно соответствует полету с определенным угломупреждения,которыйрассчитываетсяспомощьюнавигационноготреугольника скоростей [47]. В [48] было показано, что при облететерриториальнораспределенных поворотных точексмаксимальнодопустимой перегрузкой в силу высокой маневренности легких БПЛАвремя полета по маршруту практически равно сумме времен полета попрямой между точками, связываемыми маршрутом.Статистикаизменчивостискоростиинаправленияветраисследовалась в работах [6, 65]. В частности, в [6] указывается, что надрайоном площадью около 1500 квадратных километров на высотах до 1 км.при скоростях ветра от 11 м/с до 20 м/с на промежутке времени в 1 часскорость ветра изменяется не более чем на 1,3 м/с, а направление не болеечем на 4 градуса.

На протяжении второго часа соответствующие измененияне превышают 2 м/с и 7 градусов соответственно. Таким образом, принаиболеехарактерныхдлялегкихБПЛАразмеровзоныи35продолжительности полета, допущение о постоянстве значений параметровветра (скорости и направлении) на протяжении всего полета представляетсяоправданным.С учетом вышесказанного при рассмотрении задачи планированиямаршрута полета легкого БПЛА приняты следующие допущения.Направление и скорость ветра постоянны для всей зоны и времениполета.Высота полета и воздушная скорость БПЛА при движении помаршруту постоянны.Курсовой автопилот работает идеально в томсмысле,чтообеспечивает полет БПЛА с таким направлением вектора воздушнойскорости, которое с учетом действия известного постоянного ветрапозволяетвыполнятьсоответствующимдвижениеаппаратаминимальному времениспостояннымперелетакурсом,между парамимаршрутных точек.Величина фактической продолжительности полета по маршруту сучетом разворотов по курсу несущественно отличается от суммыпродолжительностей наискорейшего перелета между парами точек,включенных в маршрут.1.4.