Планирование полета беспилотного летательного аппарата при мониторинге наземной обстановки в заданном регионе с учетом воздействия бокового ветра (28.09.2012)

Автор: Ефимов Алексей Витальевич

Параметры эллипсов притяжения найдены с помощью специального метода рабочей точки для динамического программирования, в окрестности которой для различных полетных ситуаций вычислены ординаты риска, позволившие найти новое решение в квадратурах;

Идентификатор параметров бокового движения ЛА и действующего на него ветра сформирован при модификации фильтра Калмана путем «замораживания» его переменных коэффициентов и отличается тем, что с его помощью определяется с высокой точностью сила ветра. Это позволяет скомпенсировать его влияние на полет БЛА по заданной траектории, что важно при наблюдении заданных трасс;

Программа планирования полета отличается тем, что при прогнозировании точки встречи вычисляются не только координаты упреждения, но и время достижения БЛА очередного объекта, а это время автоматически входит в расчеты прогнозируемого движения остальных объектов. Поэтому программа планирования формирует не только маршрут, но и график движения, что является новым элементом;

Достоверность полученных результатов определяется следующим. Алгоритмы маршрутизации сформированы с помощью научно-обоснованного метода динамического программирования, при этом найденное решение в виде эллипсов имеет ясный физический смысл – чем ближе объекты наблюдения к полосе, ориентированной по вектору скорости БЛА, тем выше их приоритет включения в план. Идентификатор найден с помощью метода оптимальной калмановской фильтрации, обеспечивающей наименьшие среднеквадратичные ошибки в оценке как измеряемых, так и неизмеряемых параметров, что соответствует найденным оценкам путевого угла и силы бокового ветра.

Все полученные параметры алгоритмов планирования и идентификации были проверены моделированием на ЭВМ, результаты которого подтверждают достоверность полученных оценок.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанная программа планирования полета БЛА создает принципиально новую возможность прогнозирования полета над контролируемыми мобильными объектами, а использование идентификатора в контуре управления боковым движением БЛА позволяет значительно снизить влияние бокового ветра на пролет БЛА по заданной траектории нал контролируемым наземным объектом, который попадает в «окно» наблюдения с максимальной вероятностью.

Достигнутый технический эффект подтвержден актом о внедрении на предприятии ОАО «НИИ Кулон» результатов хоздоговорной НИР, проводимой кафедрой 301 МАИ в 2011 году.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен обзор существующих методов построения маршрута полета летательных аппаратов:

Метод полного перебора всех возможных вариантов маршрута;

Жадные алгоритмы;

Построение маршрута полета с помощью генетических алгоритмов;

Методы, использующие постоянное патрулирование местности;

Показаны достоинства и недостатки этих методов, приведены примеры их использования. Также в этой главе упомянут тот факт, что в настоящее время в открытом доступе отсутствуют методы построения маршрута полета в случае, когда пунктами маршрута являются движущиеся объекты, за исключением метода полного перебора и производных от него методов, непригодных для выполнения в реальном масштабе времени. Приведены примеры методов, которые предназначены для наблюдения за движущимися объектами в небольшой области, но не являющиеся полноценными методами построения маршрута. Показана актуальность задачи построения маршрута полета летательного аппарата, указаны цели работы. Отражены основные положения, выносимые на защиту и их научная новизна, достоверность и практическая ценность.

Во второй главе описан процесс разработки метода построения маршрута БЛА при наблюдении за стационарными наземными объектами.

В этой главе приняты некоторые допущения, при которых решалась поставленная задача, в частности:

Движение БЛА осуществляется на постоянной высоте с постоянной скоростью;

Ограничением, которое накладывается на динамику БЛА, является минимальный радиус разворота;

Выбран критерий оптимальности маршрута, выражающийся в условии минимума суммарного времени, затраченного на маршрут.

При разработке предложенного метода был использован метод рабочей точки, описанный в [1], суть которого заключается в вычислении функции минимального риска Fj для различных альтернатив в ситуациях, близких к границам переключения при отклонениях «влево и вправо» от рабочей точки, в которой нельзя отдать предпочтения ни одной альтернативе.

Приведено выражение для вычисления функции риска (1)

Это выражение получено путем представления функции Беллмана (2) степенным рядом

Затем, согласно методу рабочей точки, для различных полетных ситуаций вычислены так называемые ординаты риска, с помощью которых впоследствии найдены коэффициенты ?i, ?i, ?ik выражения для вычисления функции риска Fj.

С помощью моделирования получен геометрический облик контуров одинакового риска (рис 1.)

Рис. 1. Геометрическая интерпретация контуров одинакового риска

?Љ?Љ?ипсом с целью упростить ее вычисление и снизить вычислительную нагрузку на бортовое оборудование. Полученное выражение для приближенного вычисления функции риска выглядит следующим образом (3):

где a и b – координаты центра, K – коэффициент «сжатия» его главных осей, ? – угол приращения, ?xj, ?zj – приращения координат местоположения ЛА при перелете в пункт j. Приведены выражения для вычисления параметров эллипса.

После этого описан процесс построения маршрута полета БЛА с использованием полученной функции риска, который заключается в следующем. Попав в пункт (j-1), строится прямоугольное окно заданного размера и внутри определяется состав попавших в него пунктов. Затем при заданных значениях x, z и ? ЛА для каждого пункта j = 1…M вычисляется поочередно функция риска Fj и определяется тот пункт, у которого значение Fj минимально. Затем вычисляется новый угол ? направления полета, при котором происходит пролет ЛА над новым пунктом. Далее, после перелета в этот пункт, указанная процедура в алгоритме повторяется.

В заключение главы проведено моделирование, показывающее эффективность предложенного метода и произведено сравнение с итерационным методом расчета времени, необходимого для перелета в указанный пункт. Сравнение показало, что предложенный метод имеет невысокую погрешность относительно итерационного метода (менее 5%), а время, затраченное на вычисления для одинакового набора объектов на несколько порядков меньше.

В третьей главе повторены вычисления, приведенные в главе 2 для подвижных объектов. В связи с этим, в дополнение к допущениям, приведенным во второй главе, введены новые допущения:

Наземные объекты движутся прямолинейно с постоянной скоростью.

Скорость объектов не превышает скорости БЛА

Приведены вычисления ординат риска по методу рабочей точки. Число полетных ситуаций в данном случае оказалось больше по сравнению с неподвижными объектами, так как варьировалось еще и направление движения объектов.

Затем с помощью вычисленных ординат риска вычислены коэффициенты ?i, ?i, ?ik выражения для вычисления функции риска Fj (1).

Путем моделирования была получена геометрическая интерпретация поверхности одинакового риска, показанная на рисунке 2. Было показано, что данная поверхность представляет собой «скрученный» эллиптический цилиндр, сечение которого есть эллипс, повернутый на угол, равный углу ?+??jK, где ? характеризует полет ЛА, ??j – движение объекта.

Рис. 2. Геометрическая интерпретация области притяжения в виде «скрученного» эллиптического цилиндра

При выборе очередного объекта явное предпочтение отдается тем объектам, которые находятся по пути направления полета, и во вторую очередь – объектам, движение которых соответствует сближению с ЛА. Объекты слева и справа менее предпочтительны, а последней по приоритету является часть региона в задней полусфере, что полностью соответствует физическому смыслу решаемой задачи.

Для уменьшения вычислительной сложности алгоритмов была также проведена аппроксимация по формуле:

где a и b – координаты центра, M – коэффициент «сжатия» его главных осей, ? – угол приращения, ?xj, ?zj – приращения координат местоположения ЛА при перелете к объекту j.

Алгоритм, по которому предлагается производить построение маршрута, аналогичен алгоритму из главы 2.


загрузка...