научная статья по теме Совершенствование системы управления нестационарными сложными техническими объектами Биология

Текст научной статьи на тему «Совершенствование системы управления нестационарными сложными техническими объектами»

DOI: 10.12731/WSD-2015-6-10 УДК 004.9

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫМИ СЛОЖНЫМИ ТЕХНИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ

Морозова Т.Ю., Иванова И.А., Никонов В.В., Гришин А.А.

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники (МГУИТРЭ МГУПИ)», Российская Федерация, г. Москва, https://www.mirea.ru, tmorozova2006@rambler.ru

В статье рассматриваются проблемы управления группой беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), в частности, задачи формирования строя БПЛА, обеспечения безопасного движения в группе. Для решения этой задачи предложено использовать муль-тиагентный подход для реализации общей стратегии управления и метрический алгоритм маршрутизации для обеспечения связи и формирования группы. В общем виде показаны алгоритмы действия управляющего и управляемого БПЛА при формировании группы и распределении ролей. Рассмотрены условия обеспечения безопасного расстояния БПЛА относительно друг друга в группе. Показано, что совместное использование указанных механизмов позволяет повысить эффективность управления группой БПЛА, устойчивость групп к сбоям и отказам, что ведет к повышению вероятности выполнения задания.

Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, мультиа-гентный подход, опасное сближение в группе, алгоритм управления.

IMPROVING OF THE UNMANNED AERIAL VEHICLES GROUP CONTROL SYSTEM

Morozova T.Yu., Ivanova I. A., Nikonov V.V., GrishinA.A.

Moscow State University of Information Technologies, Radio Engineering and Electronics, Russian Federation, Moscow, https://www.mirea.ru, tmorozova2006@rambler.ru

The article deals with the problem of group control of unmanned aerial vehicles (UAVs), in particular, the problem offormation damage UAV ensure safe movement of the group. To solve this problem is proposed to use multiagent approach to the implementation of the overall strategy of management and metric routing algorithm for communication and the formation of the group. In general, the action of the control algorithms are shown and controlled drones in the formation of groups and roles. The conditions for the safe distance of the UAV relative to each other in the group. It is shown that the combined use of these mechanisms can improve the efficiency of group management UAV resistance groups to failures and failures, resulting in an increased probability of the assignment.

Keywords: unmanned aerial vehicles (UAVs), multiagent approach, dangerous convergence in the group, control algorithm.

Введение

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) эффективно используются в качестве механизмов решения различных задач в сельском хозяйстве, контроле загруженности дорог, предупреждении возникновений чрезвычайных ситуаций, предупреждении аварийных ситуаций на дорогах, логистике, военных задачах и т.д.

На фоне успешного применения БПЛА в самых разных областях задача обеспечения группового полета БПЛА является особенно ак-

туальной не только для развития современной авиации, но и для развития областей, использующих беспилотники в качестве инструмента для выполнения поставленной цели.

При решении данной задачи необходимо также учесть такие вопросы, как: возможное и допустимое количество беспилотников в группе, выбор метода управления группой беспилотников, возможность и методы синхронного управления группой беспилотных аппаратов, обеспечение безопасности полета, определение физических масштабов группы БПЛА, координация и связь, навигация, прием и передача данных.

При обеспечении управления группой беспилотных аппаратов важно обратить внимание на следующие особенности:

• взаимодействие БПЛА в группе;

• обеспечение получения и передачи информации;

• контроль группы в целом;

• адаптивное самоуправление БПЛА к изменениям обстановки и отказам.

Для предотвращения действий, имеющих нежелательные для объекта управления последствия, необходимо управлять действиями БПЛА и осуществлять контроль их выполнения.

При разработке и проектировании систем управления следует учитывать, что современный уровень развития технологий позволяет использовать множество алгоритмических и структурных решений, представляющих собой неполное математическое описание, т.е. не учитывающие определенные состояния, и неспособные дать реальное и адекватное представление о поведении системы. Значительное упрощение используемых параметров и недостаточное их количество не дают при моделировании системы управления и оценке результатов достоверной и корректной информации. Таким образом, при постановке задачи также следует предусмотреть и возможность изменения поведения системы вследствие изменений внешней среды.

Модели и методы решения поставленной задачи

Рассмотрим группу БПЛА, выполняющую задачу с возможностью обмена информацией между аппаратами.

Для создания эффективного алгоритма управления группой беспилотных аппаратов необходимо [5, 7]:

• определить общую стратегию управления группой БПЛА;

• решить задачу формирования строя для группы БПЛА;

• определить способы координации группы БПЛА и отдельных беспилотников;

• обеспечить надежную и устойчивую связь между беспилотными аппаратами.

Для определения общей стратегии управления группой БПЛА можно использовать мультиагентный подход [2-4, 8-14]. Мультиагентная стратегия для группы БПЛА реализуется путем разработки интеллектуальных агентов, представляющих логику поведения каждого аппарата. Каждый агент хранит свое состояние и имеет доступ к общему разделяемому ресурсу, через который участники обмениваются информацией.

Общение агентов осуществляется посредством обмена сообщениями, при этом используется асинхронный принцип передачи сообщений. Каждый агент имеет свой «почтовый ящик» - очередь входящих сообщений, в которую помещаются все направленные агенту сообщения. В тот момент, когда сообщение помещается в очередь входящих сообщений, агент оповещается об этом.

Для обеспечения оптимальных условий при движении группы беспилотных аппаратов необходимо решить задачу формирования строя группы БПЛА. Каждому БПЛА группы назначается такая цель движения, чтобы обеспечить безопасное перемещение всех аппаратов группы к выбранным целям за некоторое заданное время.

Условие опасного сближения БПЛА с другими БПЛА группы выглядит следующим образом [1, с. 728]. Представим границу области опасного сближения сферой радиуса Я. Тогда в процессе полета /-го БПЛА

на интервале времени [:о, tj] будем иметь движущийся шар, описываемый неравенством:

ш - х_«)У + т -у(0)2 + (1(0 - z.(t))2 < Я2, где х.(:), y.(t), z.(t) - координаты центра масс беспилотного аппарата в момент времени Г е |/(Г 1к\. I е (1, п).

Пусть некоторый у-й беспилотник группировки, состоящей из п БПЛА, имеет в этот момент времени координаты х(1). у(1)./ е (1, п).

Рассматриваемые 1-й и у-й БПЛА будут находиться в опасном взаимном сближении в момент времени t е [t0, ti], если будет выполнено условие вида:

у) - х.(:))2 + (у(О) - у.(0)2 + () - г/:))2 < Я2, где х(1). у(1). гр) - координаты у-го беспилотного аппарата в момент времени г е \1(. е (1 ,п).

Задача управления группой беспилотных аппаратов может быть интерпретирована как задача обеспечения движения вектора обобщенных выходных координат группы по заданной траектории. Причем движение группы БПЛА должно осуществляться в составе определенной формации. Будем использовать модель относительного движения группы беспилотников, когда головной БПЛА выступает в роли управляющего, остальные - являются управляемыми.

Любой тип строя - колонна, фронт, ромб, пеленг, клин или смешанный строй - можно рассматривать как совокупность пар: управляющий-управляемый [6, с. 115].

Роль управляющего состоит в том, чтобы назначать роли в соответствии с особенностями задания. Когда он начинает исполнять роль, то подготавливает лист ожидания (№), состоящий из перечня ролей, которые будут присвоены БПЛА: Ж={Я1, R ..., Rn} и дочерний список (Ь), содержащий перечень назначенных ролей и информацию об их состоянии.

Алгоритм управляющего БПЛА Шаг 1. Периодическая широковещательная рассылка Ю для поиска новых БПЛА.

Шаг 2. Если БПЛА отвечает с запросом о присоединении, управляющий инициирует процесс взаимной аутентификации, который, в случае успеха, приводит к выработке общего секретного ключа между управляющим и управляемыми БПЛА. В случае неудачи аутентификации повторяется шаг 1.

Шаг 3. Прошедший проверку БПЛА отправляет зашифрованный перечень своих возможностей 5, проверяя, есть в списке Ж такая роль, которая требует наличия возможностей г, и г входит в 5. Если такая роль есть, управляющий отправляет запрос на полное описание возможностей БПЛА.

Шаг 4. Если полученное полное описание возможностей удовлетворяет требованиям роли, то БПЛА отправляется сообщение о назначении роли. Присвоенная роль удаляется из перечня Ж и заносится в перечень Ь.

Шаг 5. Если принимается сообщение об обновлении состояния, то обновляется перечень Ь.

Шаг 6. Проверяется Ь на предмет свежести данных о состоянии роли. Если возраст состояния роли больше заданного интервала времени, то регистрируется событие, соответствующее сбою (отказу) (событие может быть сбоем линии связи или сбоем БПЛА на основании возраста состояния). Возврат к Шагу 5.

Алгоритм управляемого БПЛА

Шаг 1. Ожидание широковещательного сообщения.

Шаг 2. Если принято широковещательное сообщение и если БПЛА может принять на себя роль, то в ответ на широковещательное сообщение отправляется запрос на присоединение.

Шаг 3. Если аутентификация инициализирована управляющим БПЛА, то производится взаимная аутентификация. Если она прошла успешно, то управляющему БПЛА отправляется зашифрованное сообщение о возможностях, в противном случае алгоритм возвращается к Шагу 1.

Шаг 4. Если от управляющего принят запрос о полных возможностях в течение заданного времени, то в ответ отправляется зашифрованное описание, иначе происходит возврат к Шагу 1.

Шаг 5. Если в течение заданного времени приходит сообщение о присвоении роли, то скачивается политика, задающая поведение заданной роли, запускается выполнение роли и управляющий идентифициру

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком