Задача планирования действий информационного беспилотного летательного аппарата

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Кибернетика
Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
УДК 629. 7
Л. М. Неугодникова
ЗАДАЧА ПЛАНИРОВАНИЯ ДЕЙСТВИЙ ИНФОРМАЦИОННОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
Рассмотрены наиболее распространенные стратегии управления беспилотными летательными аппаратами в группе. Сформулирована задача планирования действий летательного аппарата при заданных ограничениях. Предложен критерий оптимальности для оценки полученного решения.
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, управление группами мобильных объектов, траекторное управление.
Введение. Одной из актуальных в настоящее время является задача управления группами автономных мобильных объектов (в том числе, в заранее неизвестной среде), в качестве которых могут выступать автомобильные, робототехнические и авиационные системы.
Известны различные подходы к управлению системами, включающими несколько летательных аппаратов (ЛА). В рамках одного из подходов объект управления — это группа ЛА с четко определенным положением одних аппаратов относительно других. Для этого в группе выделяются ведущий и ведомые ЛА, составляющие вместе единицу группы — звено. Стратегия, используемая для управления звеном, заключается в соблюдении заданных расстояний между его элементами, а также в необходимом для этого поддержании соответствующих скоростей и ускорений [1].
Разнообразие существующих конструкций беспилотных ЛА и ряд возможностей, которыми они обладают, обусловливает широкий спектр областей их применения, при этом наибольшее распространение имеют информационные системы, предназначенные для разведки и мониторинга. Управление двумя-тремя беспилотными ЛА можно организовать с привлечением операторов, осуществляющих дистанционное пилотирование. Для управления более многочисленными группами небольших ЛА используются различные стратегии. Например, вся рабочая зона разбивается на участки, и за каждым из них закрепляется один ЛА, осуществляющий все свои действия в его пределах [2]. Другой подход, получивший распространение в последнее время, основан на принципах, базирующихся на имитации поведения общественных насекомых. Каждый Л А оставляет «след& quot-, воспринимаемый датчиками других беспилотных ЛА, что позволяет им определять, какой из участников группы оставил этот «след& quot- и когда. При этом все ЛА непрерывно передают информацию о своем местонахождении и обнаруженных «следах& quot- в наземную систему управления, где в результате комплексирования формируется наиболее полная информация о ситуации в рабочей зоне. Такие множества однотипных беспилотных ЛА называют «роями& quot- (swarms) [3].
Краткий анализ существующих стратегий управления группами беспилотных ЛА позволил выявить следующие недостатки:
— управляемые комплексы состоят из однотипных ЛА-
— перед всеми ЛА, находящимися в составе таких комплексов, ставятся аналогичные или идентичные цели-
— в общем случае не учитывается топливно-временной ресурс ЛА и его возможные изменения, связанные с выполнением летного задания.
В то же время современные авиационные комплексы могут иметь в своем составе различные беспилотные летательные аппараты, выполняющие в рамках глобальной задачи решение более простых подзадач, соответственно эффективность управления всей группой будет напрямую зависеть от качества управления каждым объектом в ее составе. Таким образом, возникает задача управления ЛА определенного типа, предназначенным для решения конкретной подзадачи (разведки, транспортировки, слежения и т. д.) с учетом его летно-технических характеристик и ограничений, а также требований, предъявляемых к функционированию группы в целом.
Задача управления автономным мобильным объектом в составе группы. Управление объектом, входящим в состав группы, можно рассматривать как задачу планирования его действий, направленных на достижение определенной поставленной перед ним цели. Приведем формальное описание такой задачи, используя подход, описанный в работе [4].
Пусть в некоторой среде Е, состояние которой описывается вектор-функцией Е (^) =& lt- в^,2,. ., е1 & gt-, функционирует объект ?, состояние которого описывается вектор-функцией ?^) =& lt- 5!, 82, …, & gt-. Тогда текущая ситуация в среде Р =& lt- ?, Е & gt-, Р ($) =& lt- р, Р2, …, рт+1 & gt-, определяется текущими значениями функций? = ?(^) и Е = Е^), где I — текущий момент времени.
Предположим, что объект может выполнять некоторые действия, описываемые вектор-функцией А (I) =& lt- а^, о^,…, а^ & gt-, с помощью которых он может изменять как свое собственное
состояние, так и состояние окружающей его среды. В общем случае эти изменения имеют непрерывный характер и определяются системой дифференциальных уравнений вида
= / (А, ?, Е), ш
--Е = * *(А, ?, Е)
т
или = / (А, Р), г = 1, п. (1)
т
Заметим, что ряд ситуаций в системе «объект-среда& quot- может быть запрещен. Поэтому в пространстве ситуаций |Р| необходимо ввести некоторую систему ограничений, например, в виде неравенства
а (Р) & lt- 0. (2)
Аналогично, ограничения для пространства действий могут быть представлены в виде неравенства
Р (А, Р) & lt- 0. (3)
В общем случае может существовать несколько функций А (I), удовлетворяющих данным условиям. Тогда для выбора оптимального решения задачи можно использовать функционал, определяющий успешность выполнения объектом конкретной функции действий на интервале времени [?к]:
3 =) /о (Р, ?, Ет =) /о (А, Р) т. (4)
При этом если объект функционирует в динамической среде, состояние которой постоянно изменяется по неизвестным законам, то решать задачу планирования на всем временном интервале [] не имеет смысла. В этом случае целесообразно определять только начальное значение функции А (^) в момент времени? о. Тогда каждый новый расчет значения, А (?о) будет осуществляться с учетом всех изменений ситуации Р, что позволит оперативно корректировать действия ЛА. Таким образом, при функционировании ЛА в динамической среде задача планирования действий может быть сформулирована следующим образом: определить значение вектор-функции А (^), реализующей экстремум функционала (4) при граничных условиях Р (*о) = Ро и Р (^) & amp-{Р}к (здесь {Р}к — множество целевых ситуаций), связях (1) и ограничениях (2), (3).
Задача управления траекторией беспилотного летательного аппарата. Опишем формально поведение в исполнительной зоне (среде) у-го ЛА с единственной задачей: произвести обработку (фотосъемку) некоторой области I (рис. 1). Рассмотрим простейшую модель движения ЛА в плоской прямоугольной системе координат Х01, оси которой лежат в горизонтальной плоскости. «Полет& quot- над областями II запрещен (здесь ХуЛд и %уЛА — текущие координаты ЛА). Нахождение Л А над областью Ш разрешено, но ее обработка не требуется (или запрещена). Будем считать, что изображение, формируемое видеокамерой, имеет форму квадрата.
4 2
Рис. 1
Множество Ру (ситуация в исполнительной зоне для у-го ЛА) определяется следующими параметрами:
Ру1 = Уу — горизонтальная скорость ЛА-
Ру 2 = ш у — угловая скорость ЛА при изменении направления движения-
Ру 3 = ^ у — курсовой угол в выбранной системе координат-
Ру 4 = Ху — координата положения ЛА-
Ру 5 = 2 у — координата положения ЛА-
Ру 6 = ву^ - площадь участка исполнительной зоны (ИЗ), обработанного в единицу времени.
Ограничения для пространства ситуаций Р, в которых может находиться ЛА, определяются его летно-техническими характеристиками, а также параметрами установленного на нем оборудования [5]:
а = {Уу, пу, 1,, у}, (5)
где
Vmn & lt- Vj & lt- Утах — скорость полета- Пу & lt- Путах — нормальная перегрузка- t & lt- tmax — время полета-
^ ±АИ — высота полета при выполнении задания- Rjw ± AR (Ah) — радиус обзора видеокамеры ЛА при высоте полета км& gt-. Перечислим возможные действия ЛА в исполнительной зоне с учетом ограничений:
Р = Ь1, aj2, ajз},
(6)
где
о
Л
а
Д 2
задать линейное ускорение ад — задать угловое ускорение ат"1
тт & lt- а & lt- а тах.
& lt- ад1 & lt- ад1:
т1п & lt- а & lt- а тах & lt- аД 2 & lt- аД 2:
а
7 3
— начать обработку ИЗ 0 & lt- ад3 & lt- ата
Связь между ситуацией в ИЗ и действиями ЛА определяется выражениями
-Рд1 -Рд2 тРдз тРд4
= а • = а • = Рд 2- т = РПС™ Рд 3-
л
= аД1-
Л
= аД 2-
-Рд 5
Рд181п Рд з-
л. ЛРд 6
л
= 2^ад з Рд1.
(7)
Ж Л
Далее в тексте индекс д (характеризующий ситуацию для одногод-го ЛА) опустим. Для описания исполнительной зоны необходимо представить ее в виде совокупности некоторого множества — прямоугольных областей Вк, к = 1, — (провести ее дискретизацию) (рис. 2). Разрешенная для полетов зона I определяется разностью общей площади ИЗ и запрещенных зон II и III. Шаг дискретизации следует выбрать исходя из величины вм, а также
с учетом скорости полета и перегрузки. Таким образом, дискретное изображение ИЗ может быть различным для разных типов ЛА.
I
ъ
¦лА ¦к2
ХЛА
Рис. 2
Условие нахождения ЛА вне запрещенного участка Вк — области II — можно представить следующим образом:
Хк 2 & lt- ХЛА & lt- Хк1
¦к 2 & lt- ¦ ЛА & lt- Ък1.
Далее, пусть в исполнительной зоне есть участок — область III, при «полете& quot- над которым обработка запрещена (см. рис. 2 — представлен в виде совокупности некоторого множества г прямоугольных областей Щ, I = 1, г). Тогда обработка ИЗ разрешена только в то время, когда координаты ЛА удовлетворяют следующим неравенствам:
Х12 — Х ЛА — Х1ъ
(9)
Zl 2 ^ Z ЛА ^ Zl1- J
Для полного описания ИЗ неравенства (8) и (9) необходимо дополнить условием
Хг1 — ХЛА —
ЛА — ^2,
(10)
характеризующим внешние границы рабочей области.
Зададим критерий оптимальности в виде требования минимизации участка ИЗ, необработанного за время [ tk ]:
3 =) (2Щ^ -еМ!)dt =)(2Щр -P6)dt, (11)
t0 Г0
где 2ЯМУ — участок ИЗ, который должен быть обработан ЛА при прямолинейном движении со скоростью V в области, удовлетворяющей условиям (8) и (9) за единицу времени- е^ =.
Таким образом, сформулирована задача: определить в текущий момент времени ^ значение вектор-функции Л (1.) =& lt- а^), а2(t), aз (t) & gt-, обеспечивающее минимум функционала (11) при уравнениях связей (7) с учетом ограничений (5), (6) и условий (8)-(10).
Заключение. Траекторное управление группой разнотипных летательных аппаратов является актуальной задачей, для успешного решения которой необходимо максимально эффективно управлять каждым ЛА. Формализована задача управления траекторией отдельного беспилотного ЛА, выполняющего фотосъемку окружающей среды в исполнительной зоне произвольной формы, в условиях действия ограничений. Сформулирован критерий оптимальности для выбора наилучшего решения из нескольких возможных.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Боднер В. А. Теория автоматического управления полетом. М.: Наука, 1964. 700 с.
2. Hexmoor H., McLaughlan B., Baker M. Swarm control in unmanned aerial vehicles // The Society for Modeling & amp- Simulation International [Электронный ресурс]: & lt-http://www2. cs. siu. edu/~brianm/Papers/SwarmControl05. pdf>- (21. 04. 2013).
3. Walter B., Sannier A., Reiners D., Oliver J. UAV Swarm control: calculating digital pheromone fields with the GPU // The Society for Modeling & amp- Simulation International [Электронный ресурс]: & lt-http://www. scs. org/pubs/jdms/ vol3num3/JDMSIITSE Cvol3no3Walter167−176. pdf>- (21. 04. 2013).
4. Интеллектуальные роботы: Учеб. пособие / И. А. Каляев, В. М. Лохин, И. М. Макаров и др.- Под общ. ред. Е. И. Юревича. М.: Машиностроение, 2007. 360 с.
5. Петунин В. И., Неугодникова Л. М. Синтез системы автоматического управления углом курса и ограничения нормальной перегрузки летательного аппарата // Авиакосмическое приборостроение. 2012. № 11. С. 10−18.
Сведения об авторе
Любовь Михайловна Неугодникова — аспирант- Уфимский государственный авиационный технический
университет, кафедра информационно-измерительной техники- E-mail: Grifon_love@mail. ru
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
информационно-измерительной техники 24. 12. 13 г.

Показать Свернуть
Заполнить форму текущей работой