Разработка информационной технологии организации согласованных действий группы беспилотных летательных аппаратов при поиске мобильных наземных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Крылов, Иван Геннадьевич

• Крылов, Иван Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Крылов, Иван Геннадьевич

Введение.

1. Организация поиска наземных объектов.

1.1 Поиск наземных объектов.

1.2 Поиск наземных объектов с помощью БЛА.

1.3 Поиск наземных объектов группой БЛА.

1.4 Решение ЦЗ с помощью анализа ситуаций.

1.5 Постановка задачи исследования.

2. Разработка алгоритмов принятия решений при поиске объектов автономной группой БЛА.

2.1 Структура комплексного алгоритма решения целевой задачи.

2.2 Формирование описания целевой задачи.

2.3 Определение областей интереса.

2.4 Распределение БЛА по подгруппам.

2.5 Планирование маршрутов полетов БЛА.

2.5.1 Планирование маршрута алгоритмом Ли.

2.5.2 Планирование маршрутов в области поиска.

2.6 Поиск и слежение за наземными объектами.

3. Разработка алгоритмов управления, реализующих выполнение типовых операций.

3.1 Алгоритмы, обеспечивающие реализацию управлений БЛА в полете по маршруту.

3.1.1 Полет по заданным пунктам маршрута.

3.1.2 Полет по заданной траектории.

3.2 Полет строем с заданным интервалом и дистанцией.

3.3 Автоматический возврат в строй или в заданный (конечный) пункт маршрута.

3.4 Предотвращение столкновений БЛА.

3.4.1 Несогласованное предотвращение столкновений.

3.4.2 Согласованное предотвращение столкновений.

3.5 Типовая операция: полет по кругу.

3.6 Типовая операция: полет по «восьмерке».

3.7 Структура системы автоматического управления БЛА.

4. Экспериментальные исследования алгоритмов, входящих в комплексный алгоритм решения целевой задачи.

4.1 Методика проведения экспериментов.

4.2 Оценка работоспособности алгоритма поиска наземных объектов.

4.3 Оценка работоспособности алгоритма выделения областей интереса на основе анализа ситуации.

4.4 Оценка работоспособности алгоритма распределения БЛА по подгруппам.

4.5 Оценка работоспособности алгоритма планирования маршрута модифицированным алгоритмом Ли.

4.6 Оценка работоспособности алгоритма полета строем.

4.7 Оценка работоспособности алгоритма предотвращения столкновения

4.8 Экспериментальные исследования алгоритмов управления согласованной группой БЛА на моделях Microsoft Flight Simulator X.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка информационной технологии организации согласованных действий группы беспилотных летательных аппаратов при поиске мобильных наземных объектов»

В последние годы широкое распространение получают беспилотные летательные аппараты (БЛА) различных классов [1-8], предназначенные для мониторинга земной или водной поверхности, разведки и т.д.

При этом круг решаемых БЛА задач постоянно расширяется за счет увеличения радиуса их действия, совершенствования целевой аппаратуры и пр.

Одной из наиболее важных и востребованных областей применения БЛА является поиск наземных объектов [9, 10,11]. Сложность организации поиска подвижных наземных объектов определяется рядом факторов, в частности, неопределенностью и изменяемостью условий наблюдения, неопределенностью исходного положения искомых объектов и маршрутов их движения и пр. Решение об обнаружении объекта принимается на основании анализа принимаемых изображений оператором или системой технического зрения (СТЗ) [12-18].

В настоящее время поиск наземных объектов в основном ведется с помощью передачи видовой информации, принимаемой на борту БЛА, оператору. В этом случае решение об обнаружении искомого объекта (объекта интереса) принимает оператор. Передача информации может быть реализована в реальном времени (для этого используется соответствующий канал связи) или после возвращения БЛА в конечный или заданный промежуточный пункт маршрута (КПМ, ППМ) - в режиме постобработки. При непосредственном участии оператора в процессе поиска, оператор может в реальном времени корректировать полет БЛА. К недостаткам данной технологии поиска следует отнести:

• ограниченную производительность поиска, связанную с ограниченностью поля зрения системы наблюдения (СН) одиночного БЛА;

• ограниченность дальности действия БЛА каналом связи при дистанционном управлении БЛА оператором;

• сложные условия работы оператора, приводящие к повышению ошибок обнаружения;

• существенная задержка во времени при реализации обнаружения в режиме постобработки;

• снижение производительности поиска при оперативном изменении условий наблюдения

• и пр.

Вопросам построения СН и разработки алгоритмического обеспечения для обработки и анализа изображений, в т.ч. наземных объектов и ориентиров, решения задачи навигации и поиска объектов посвящен ряд работ [И, 19-28], в т.ч. диссертационные работы [29-34], выполненные на каф. 704 МАИ.

Одним из направлений, позволяющих существенно повысить производительность поиска, является групповое применение автономных БЛА [35-39].

Реализация методов автономного применения БЛА, которые могут адаптироваться к изменениям условий полета и наблюдения, позволит существенно расширить круг решаемых БЛА задач и эффективность их применения. Исследования в данном направлении развития БЛА ведутся в России и за рубежом [40-44].

В работе [45] проводились исследования, по распределению задач решаемых на пилотируемом и беспилотном ЛА. Показано, что на данном этапе развития БЛА решение о выборе цели и тем более о ее поражение должен принимать человек.

Большое внимание в зарубежных исследованиях уделяется вопросам организации полета строем [46 - 52]. В частности, на основе математического моделирования [46] и натурного эксперимента [49] подтверждена возможность полета БЛА строем. Показано, что полет за лидером является 5 более точным, чем полет за впереди летящем. В [50] рассмотрены вопросы реализации различных алгоритмов управления, таких как стандартный и нечеткие ПИД регуляторы и др.

Ряд исследований посвящен вопросам повышения безопасности полетов. В [53] исследуется система управления автономной группой БЛА с использованием двух режимов: безопасного и режима облета препятствий. При этом маршрут облета опасности строиться с использованием модифицированной сети Гроссберга. В работе [54] рассматривается принцип «стаи» для организации полета многих БЛА на основе некоторого набора правил. Показано, что использование набора правил является простым решением и может снизить опасность столкновения. Работа [55] посвящена децентрализованному планированию согласованных, безопасных маршрутов для нескольких автономных БЛА. Результаты моделирования показали, что предлагаемые подходы к планированию согласованных маршрутов для нескольких БЛА обеспечивали требуемую безопасность.

Вопросы поиска и обнаружения объектов с помощью группы БЛА рассмотрены в ряде работ, например [52, 56, 57]. В работе [57] рассматриваются проблемы, связанные с проведением совместного поиска объекта интереса на неизвестной территории, включая планирование согласованных маршрутов для группы БЛА. В [57] предлагается подход к планированию и согласованному управлению группой БЛА, основанный на использование знаний, полученных в результате анализа принимаемых изображений поверхности (когнитивных карт). При этом отдельным участкам местности присваивается некоторый уровень интереса для проведения поиска. Проблемы использования децентрализованного алгоритма наблюдения рассматриваются в [56].

Анализ литературы показывает, что ряд задач по управлению полетом группы БЛА, некоторых частных задач обнаружения объектов, например, при охране периметра, для определенных условий практически решен.

Однако в целом задачу автономного применения группы БЛА для поиска наземных объектов нельзя считать решенной.

Предварительные исследования процессов поиска, в рамках исследуемой задачи, показали [38, 39], что реализация автономного автоматического полета БЛА связана с необходимым комплексным решением следующих задач:

- анализом полученной целевой задачи (ЦЗ);

- оперативным принятием решений по выработке частных ЦЗ на основе проводимого анализа ситуаций;

- оперативным определением требуемых траекторий полета БЛА;

- выработкой соответствующих управлений.

При этом формирование управлений, обеспечивающих полет БЛА по заданным траекториям, т.е. траекторных управлений, должны реализоваться на основе полученных частных ЦЗ.

Подобные исследования, как показывает анализ литературы, не проводились.

Целью диссертационной работы является повышение производительности поиска наземных мобильных объектов за счет использования автономной группы беспилотных летательных аппаратов (БЛА).

Для достижения поставленной цели необходимо разработать технологию организации согласованных действий БЛА при поиске мобильных наземных объектов.

Разрабатываемая технология должна включать:

1. Сценарий поиска наземных мобильных объектов группой БЛА;

2. Комплексный алгоритм решения целевых задач группой БЛА;

3. Алгоритмы автоматического принятия решений для корректировки целевых задач и способов их решений в изменяемых условиях поиска;

4. Алгоритмы автоматического управления группой и отдельными

БЛА на различных этапах выполнения решаемых целевых задач. Объект исследования - автономная группа БЛА, осуществляющая поиск наземных мобильных объектов.

Предмет исследования - технология формирования алгоритмов управления автономной группой БЛА, обеспечивающих поиск наземных малоразмерных объектов за счет использования методов анализа ситуаций и организации управления на основе типовых операций. Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложена и разработана структура комплексного алгоритма решения целевых задач группой БЛА, включающего процедуры:

• выделение областей интереса на основе анализа ситуации;

• распределения БЛА на подгруппы;

• планирование маршрутов для подгрупп БЛА;

• организация полета до области поиска;

• проведение поиска объектов;

• организация возврата в область ожидания.

2. Предложена и разработана методика формирования описаний целевых задач, основанная на использовании баз данных и описаний уникальных атрибутов объектов и условий поиска;

3. Предложены и разработаны алгоритмы и программное обеспечение для организации управления группой БЛА на основе использования типовых операций;

4. Получены результаты исследования, подтверждающие возможность реализации разработанных алгоритмов в реальном времени на перспективных бортовых вычислителях, в т.ч. для малоразмерных БЛА.

В первой главе диссертации рассматриваются основные особенности поиска наземных объектов, приводятся критерии эффективности поиска, рассматриваются вопросы, связанные с принятием решения об обнаружении 8 или распознавании объекта. Описываются проблемы, ограничивающие применение БЛА в условиях сложного рельефа местности, приводится класс БЛА, подходящий для решения задач рассматриваемых в работе, обосновывается повышение эффективности применения группы БЛА в задачах поиска.

Вторая глава диссертации посвящена разработке сценария решения задачи поиска мобильных наземных объектов автономной группой БЛА. На основании анализа решаемых целевых задач предложена и разработана структура комплексного алгоритма поиска наземных объектов, представлен вариант описания целевой задачи, рассмотрена процедура определения областей интереса. Приведены алгоритмы распределения БЛА по подгруппам и планирования маршрутов. Описан алгоритм поиска наземных объектов.

В третьей главе рассматриваются вопросы формирования алгоритмов управления БЛА. Определены набор типовых режимов полета БЛА, обеспечивающих решение задач поиска, и комплекс алгоритмов, обеспечивающих реализацию управления БЛА в типовых режимах. Представлено описание разработанных унифицированных программных модулей, реализующих управление БЛА.

Четвертая глава работы содержит результаты экспериментальных исследований реализованных алгоритмов.

В заключении показаны основные научные и прикладные результаты работы.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Крылов, Иван Геннадьевич

Заключение

В результате проведенных исследований предложена и разработана информационная технология организации согласованных действий БЛА при поиске наземных мобильных объектов основанная на анализе ситуации. Разработанная технология включает:

1. Сценарий поиска мобильных наземных объектов автономной группой БЛА, основанный на анализе текущей ситуации, определяющей условия поиска;

2. Методика формирования описаний целевых задач, основанная на использовании баз данных и описаний уникальных атрибутов объектов и условий поиска;

3. Методика анализа ситуаций для выделения областей интереса, основанная на использовании баз данных и набора продукционных правил;

4. Методика и алгоритм планирования наблюдений, реализующих с бортов БЛА при наличии априорной неопределенности относительно областей интереса;

5. Алгоритмы и программное обеспечение для организации управления группой БЛА на основе использования типовых операций, реализующие:

• автоматический полет по заданной траектории (по маршруту). В частности, по заданным промежуточным пунктам маршрута;

• полет строем с заданным интервалом и дистанцией;

• полет по типовым траекториям наблюдения (круг, восьмерка);

• автоматический возврат в строй или в заданный (конечный) пункт маршрута;

• определение и предотвращение опасного сближения БЛА.

6. Комплексный алгоритм решения целевых задач группой БЛА, основанный на использовании методик и алгоритмов по пунктам 15. Алгоритм включает процедуры:

• выделение областей интереса на основе анализа ситуации;

• распределения БЛА на подгруппы;

• планирование маршрутов для подгрупп БЛА;

• организация полет до области поиска;

• проведение поиска объектов;

• организация возврат в область ожидания.

Результаты исследований, проведенные с помощью математического и полунатурного моделирования подтверждают работоспособность предлагаемых решений и возможность реализации разработанных алгоритмов на перспективных бортовых вычислителях, в т.ч. для малоразмерных БЛА.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Крылов, Иван Геннадьевич, 2012 год

1. О. Игнатьев. БЛА: состояние и перспективы использования в интересах НАТО / Зарубежное военное обозрение, М.: ОАО «Издательский дом «Красная звезда» №12,2010.

2. Е. Чекунов. Применение БЛА ВС США в военных конфликтах / Зарубежное военное обозрение, М.: ОАО «Издательский дом «Красная звезда» №7, 2010.

3. С. Корчагин. Беспилотные ЛА вооруженных сил ФРГ / Зарубежное военное обозрение, М.: ОАО «Издательский дом «Красная звезда» №10, 2010.4. http://www.uav.ru/5. http://bp-la.ru/

4. О. Носов. США удвоят парк БЛА «Рипер» / Зарубежное военное обозрение, М.: ОАО «Издательский дом «Красная звезда» №4, 2010.

5. А. Онищук. Модификации БЛА большой продолжительности полета ЯС>-4 «Глобал ХОК» / Зарубежное военное обозрение, М.: ОАО «Издательский дом «Красная звезда» №5, 2010.

6. Беспилотные летательные аппараты: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Л.С. Чернобровкина. -М.: Машиностроение, 1967.

7. Абчук В.А., Суздаль В.Г. Поиск объектов. М., «Сов. радио», 1977, 336 с.

8. Управление и наведение беспилотных маневренных летательных аппаратов на основе современных информационных технологий / Под ред. М.Н. Красилыцикова и Г.Г. Себрякова. М.: физматлит, 2003.

9. Веремеенко К.К., Желтов С.Ю., Ким Н.В. и др. Современные информационные технологии в задачах навигации и наведения беспилотных маневренных летательных аппаратов. Под ред. М.Н. Красилыцикова, Г.Г. Себрякова. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. -556 с.

10. Р. Дуда, П. Харт. Распознавание образов и анализ сцен. Изд-во «Мир», Москва, 1976.

11. Горелик A.JI., Скрипкин В.А. Методы распознавания. М.: Высшая школа, 1989.-232с.

12. Эндрюс Г. Применение вычислительных машин для обработки изображений. М.: Энергия, 1977.

13. Ким Н.В., Кузнецов А.Г., Крылов И.Г. «Применение систем технического зрения на беспилотных летательных аппаратах в задачах ориентации на местности». Вестник МАИ. №3. 2010.

14. Ким Н.В., Крылов И.Г., Лебедев A.B. «Восстановление 3D поверхности по видовой информации, принимаемой группой БПЛА». Известия КБНЦ РАН. №1 2011

15. Ким Н.В. Обработка и анализ изображений в системах технического зрения. Учебное пособие. М.: Изд-во МАИ. 2001. - 164 е.: ил.

16. Milan Sonka, Vaclav Hlavac, Roger Boyle. Image processing, analysis and Machine vision. 2008.

17. Б. Яне. Цифровая обработка изображений. Техносфера, 2007. 584с.

18. Н.В. Ким. Алгоритмы сжатия изображения. Учебное пособие. М.: Изд-во МАИ, 2005. - 48 е.: ил.

19. П.И. Рудаков, И. В. Сафонов. Обработка сигналов и изображений. MatLab5.x. Под общей редакцией В.Г. Потемкина. Москва, Диалог-МИФИ, 2000.-416с.

20. Визильтер Ю.В., Желтов С.Ю., Юондаренко A.B. и др. Обработка и анализ изображений в задачах машинного зрения: Курс лекций и практических занятий. М.: Физматкнига, 2010. - 672 с.

21. Forsyth D., Ponce J. 2001. Computer Vision. A modern approach. Copyright, 2003 by Person Education, Inc.

22. Galbiaty, Jr., L.J. Machine Vision and Image Processing Fundamentals. Prentice-Hall, Inc., Inc. 1990.

23. William K. Pratt. Digital image processing. Third Edition. John Wiley AND Sons, Inc. 2001.

24. Thomas J. Cavicchi. Digital Signal processing. John Wiley AND Sons, Inc. 2000.

25. Хорн Б.К.П. Зрение роботов: Пер. с англ. -М.: Мир, 1989.

26. Семенченко С.А. Синтез алгоритмов поиска наземных объектов с помощью контурных эталонных изображений. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Московский авиационный институт (технический университет), 1997.

27. Михеев С.М. совмещение изображений в многоканальных системах наблюдения. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Московский авиационный институт (государственный технический университет), 2011 г.

28. Ким Н.В., Крылов И.Г., Лебедев A.B. К вопросу согласованного применения двух БПЛА. 9-я Международная конференция «Авиация и космонавтика 2010». 16-18 ноября 2010 года. Москва. Тезисы докладов. -СПб.: Мастерская печати, 2010.-354 с.

29. Отчет по НИР «Разработка интеллектуальной системы, реализующей управление беспилотным летательным аппаратом на основе анализа наблюдаемой ситуации». Контракт № 14.740.11.0292. Этап 2. М., МАИ, 2011.

30. Отчет по НИР «Разработка интеллектуальной системы, реализующей управление беспилотным летательным аппаратом на основе анализа наблюдаемой ситуации». Контракт № 14.740.11.0292. Этап 3. М., МАИ, 2011.

31. Михалев И. А., Окоемов Б.Н., Чикулаев М.С. Системы автоматического управления самолетом. -М.: Машиностроение, 1987.

32. Красовский A.A., Поспелов Г.С. Основы автоматики и технической кибернетики. -М.: Госэнергоиздат, 1962.

33. Отчет о НИР «Разработка экспериментального образца многоканальнойцифровой системы автоматического управления полетом для малоразмерных140беспилотных летательных аппаратов различного назначения». Шифр «Мушкатель-2». № 5141. Этап 1. М., МАИ, 2004.

34. Отчет о НИР «Разработка экспериментального образца многоканальной цифровой системы автоматического управления полетом для малоразмерных беспилотных летательных аппаратов различного назначения». Шифр «Мушкатель-2». № 5141. Этап 2. М., МАИ, 2005.

35. ЯЗ. Цыпкин. Основы теории автоматических систем. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», М., 1977, 560 стр.

36. D. Morales, 2nd Lt, M.L. Cummings, PhD.: UAVs as Tactical Wingmen: Control Methods and Pilots' Perceptions, http://web.mit.edu/aeroastro/ labs/halab/papers/UAVwingmenAUVSIdraft.pdf

37. Innocenti, F. Giulietti and L. Pollini.: Intelligent Management Control for Unmanned Aircraft Navigation and Formation Keeping. The RTO AVT Course on "Intelligent Systems for Aeronautics", held in Rhode-Saint-Genese, Belgium, 1317 May 2002

38. Baxter J.W., Horn G.S., Leivers D.P. Fly-by-Agent: Controlling a Pool of UAVs via a Multi-Agent System. QinetiQ Ltd MalvernTechnology Centre St Andrews Road. Malvern. UK. 2007.

39. Jonathan How, Ellis King, Yoshiaki Kuwata: Flight Demonstrations of Cooperative Control for UAV Teams. AIAA 3rd "Unmanned Unlimited" Technical Conference, Workshop and Exhibit 20 23 September 2004, Chicago, Illinois.

40. Waydo, S. and Hauser, J. and Bailey, R. and Klavins, E. and Murray, R. M. (2007) UAV as a Reliable Wingman: A Flight Demonstration. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 15 (4). pp. 680-688.

41. Robert J. Bamberger Jr., David P. Watson, David H. Scheidt, and Kevin L. Moore. Flight Demonstrations of Unmanned Aerial Vehicle Swarming Concepts. Johns Hopkins APL Technical Digest, Volume 27, Number 1 (2006).

42. Xiaohua Wang, Vivek Yadav, and S. N. Balakrishnan. Cooperative UAV formation flying with obstacle/collision avoidance. IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY, VOL. 15, NO. 4, JULY 2007.

43. B. Crowther. Flocking of autonomous unmanned air vehicles. THE AERONAUTICAL JOURNAL FEBRUARY 2003.

44. Tom Schouwenaars, Jonathan How, and Eric Feron. Decentralized Cooperative Trajectory Planning of Multiple Aircraft with Hard Safety Guarantees. AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit 16-19 August 2004, Providence, Rhode Island.

45. Derek Kingston, Ryan Holt, Randal Beardy, Timothy McLain, and David Casbeer. Decentralized Perimeter Surveillance Using a Team of UAVs. AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit 15-18 August 2005, San Francisco, California

46. Yanli Yang. Cooperative Search by Uninhabited Air Vehicles in Dynamic Environment. The dissertation work for the degree of Doctor of Philosophy (Ph.D.) University of Cincinnati, 2005.

47. Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М.: Изд-во «Наука». 1977.

48. Петросян Л.А., Зенкевич H.A., Семина Е.А. Теория игр: Учеб. пособие для ун-тов — М.: Высш. шк., Книжный дом «Университет», 1998. — С. 304.

49. Ким Н.В., Кузнецов А.Г. Методика описания карты местности для решения навигационных задач, использующих ситуационный анализ изображений. 9-я Международная конференция «Авиация и космонавтика-2010». Тезисы докладов. 2010.

50. Ким Н.В., Кузнецов А.Г. Автономная навигация БЛА на основе обработки и анализа видовой информации. Материалы первой международной конференции «Автоматизация управления и интеллектуальные системы и среды». Том 2. Нальчик, 2010.

51. Поспелов Д.А. Ситуационное управление: теория и практика. М.: Наука, 1986.

52. Отчет по НИР «Разработка интеллектуальной системы, реализующей управление беспилотным летательным аппаратом на основе анализа наблюдаемой ситуации». Контракт № 14.740.11.0292. Этап 4. М., МАИ, 2012.66. http://ru.wikipedia.org/wiki/TCAS