Моделирование областей пространства взаимодействия беспилотных летательных аппаратов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Санкт–Петербургский государственный университет
аэрокосмического приборостроения»





НАУЧНЫЙ ДОКЛАД
ОБ ОСНОВНЫХ РЕЗУЛЬТАТАХ ПОДГОТОВЛЕННОЙ
НАУЧНО–КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЫ

____________Смирнов Денис Сергеевич_________
фамилия, имя, отчество аспиранта полностью 


Моделирование областей пространства взаимодействия беспилотных летательных аппаратов
тема научно–квалификационной работы 


Направление подготовки 	09.06. 01          Информатика и вычислительная
код				наименование направления
техника__________________________________________________________
наименование направления 

Направленность			05.13.01             Системный анализ, управление
код				наименование направления
и обработка информации (по отраслям)______________________________
наименование направленности 

Отрасль науки 		__________технические науки____________________
 						наименование отрасли науки 
 

Аспирант группы № А4441		______________	     ____Д.С. Смирнов__
подпись, дата 	 	инициалы, фамилия 

Научный руководитель
 
______к.т.н, доцент____            ___________               Васильевский Александр Сергеевич
уч. степень, звание 	 	подпись, дата 	 		фамилия, имя, отчество 



В работе не содержится информация 
с ограниченным доступом
 и отсутствуют сведения, 
представляющие коммерческую ценность
Руководитель НКР:


Санкт–Петербург 2018
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
      Актуальность и степень разработанности темы НКР. Беспилотные летательные аппараты (БЛА) существуют более 100 лет. Особенность этих летательных аппаратов следует из самого названия – полет происходит без участия человека на борту. Причиной их создания, как и любой другой беспилотной техники, является стремление ограничить человека от потенциально опасных для его жизни работ. Так как наибольшую опасность для жизни человека представляют боевые действия, первые БЛА были военного назначения и, в основном, однократного применения. Беспилотная авиация для гражданского сектора стала развиваться лишь в конце XX века.
      В настоящее время существует достаточно многообразное количество БЛА как военного, так и гражданского назначения, которые используются для широкого спектра задач. 
      Целью НКР является моделирование интегрированной информационной среды группового пуска БЛА для повышения эффективности выполнения разведывательных операций. 
      Для достижения поставленной цели в НКР решаются следующие основные задачи:
      1 Разработка единого агентно-ориентированного подхода к моделированию информационного взаимодействия между БЛА.
      2 Исследование и построение модели информационного взаимодействия между БЛА.
      3 Анализ методов грануляции информации в процессах информационного взаимодействия между БЛА.
      4 Разработка системы онтологий для модели информационного взаимодействия между БЛА.
      5 Исследование и построение архитектуры информационного взаимодействия между БЛА.
      6 Разработка методов и алгоритмов обработки нечеткой пространственной информации, передаваемой между БЛА.
      Объект и предмет исследования. Методологии, подходы, модели, алгоритмы и архитектуры, реализующие информационное взаимодействие между беспилотными летательными аппаратами.
      Научная новизна НКР связана с использованием гибридных экспертных систем, сочетающих средства обработки информации в масштабе  реального времени на основе динамических продукционных правил и алгоритмов, реализующих многоагентные технологии.
      Новыми являются:
      1 Единый агентно-ориентированный подход к моделированию информационного взаимодействия между беспилотными летательными аппаратами.
      2 Базовая модель информационного взаимодействия между беспилотными летательными аппаратами.
      3 Система онтологий информационного взаимодействия между беспилотными летательными аппаратами.
      4 Схема диалогового управления.
      Практическая ценность НКР связана с внедрением концепции многоагентных систем в процессы информационного взаимодействия в групповом полете и разработки схемы диалогового управления управления на основе языка предикатов. 
      Методология и методы исследования. В НКР для решения поставленных задач используются концепция многоагентных систем, онтологический подход представления знаний, методы грануляции информации и язык предикатов.
      Основные результаты, выносимые для представления:
      1 Единый агентно-ориентированный подход к моделированию информационного взаимодействия между беспилотными летательными аппаратами.
      2 Базовая модель информационного взаимодействия между беспилотными летательными аппаратами.
      3 Система онтологий информационного взаимодействия между беспилотными летательными аппаратами.
      4 Схема диалогового управления.
      Достоверность научных положений и выводов НКР подтверждаются теоретическими выкладками, результатами вычислительных экспериментов и отладкой алгоритмов на динамическом испытательном комплексе.
      Результаты НКР использованы в НИРах АО «Концерн «Гранит-Электрон» «Разработка геоинформационной системы для БПЛА вертолетного типа» и «Разработка методов и алгоритмов планирования траектории движения БПЛА на плоскости»
      Апробация работы. По основным положения НКР было сделано 4 доклада на следующих научных конференциях: Научная сессия ГУАП 2015 (Санкт-Петербург, 9 апреля 2015); Научная сессия ГУАП 2016 (Санкт-Петербург, 14 апреля 2016); Научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Интеллектуальные разработки в интересах строительства и развития ВМФ РФ» (Санкт-Петербург, 24 ноября 2016); Межотраслевая научно-практическая конференция «ВОКОР-2017» (Санкт-Петербург, 31 октября 2017).
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе «Основные методы управления беспилотным летательным аппаратом» рассматриваются основных метода управления БЛА: дистанционное пилотирование и автоматизированное управление. Выделим особенности каждого метода.
     Принцип действия дистанционного пилотирования изображено на рисунке 1. Дистанционное пилотирование (телеуправление) основано на передаче радиокоманд летательному аппарату. Для этого на самом летательном аппарате установлена антенна приема радиокоманд (АПР).

     Рисунок 1
     При автоматизированном методе управления в память бортовой системы управления вводят полетное задание, которое представляет собой опорные координаты спутниковой связи. По заданным координатам система управления движением выстраивает единую траекторию полета.

     Рисунок 2
      Дальнейшая автоматизация управления связана с разгрузкой АВП. Для этого требуется не постоянное отображение обстановки, а только в момент обнаружения целевого объекта или события. Например, для предотвращения лесных пожаров не требуется просмотр всего контролируемого участка лесополосы, а нужно только обнаружение и определение координат очагов возгорания. Для этого система управления БПЛА должна быть основана на знаниях о чрезвычайных ситуациях или потенциально опасных объектах. А в следствии того, что контролируемая область может быть протяженной, предлагается также рассмотреть вопрос взаимодействия беспилотного комплекса с несколькими БПЛА.
     Во второй главе «Агентно-ориентированная методология» алгоритмическую основу программного обеспечения предлагается строить на основе агентно-ориентированной модели. В рамках этой модели отдельный БЛА представляется в виде отдельного агента, а группа БЛА в виде многоагентной систем. 
     Под агентом понимают любой объект, который воспринимает внешнюю среду с помощью датчиков, а затем воздействует на нее рабочими органами. Это определение продемонстрировано на рисунке.
     
     Рисунок 
     Традиционно агента можно определить следующей алгоритмической моделью:
     						()
где P – показатели производительности;
      E – среда, в которой действует агент;
      A – исполнительные механизмы;
      S – датчики.
Под каждую конкретную задачу в эту традиционную модель требуется внести доработки и изменения, которые также определяют, какого типа агента следует разработать. 
      Пользуясь составленной онтологией, изображенной на рис. 2, представим отдельный БЛА ОД в виде агента:
				(2)
где S - вектор текущего состояния БЛА;
H - данные, полученные системой восприятия внешней среды;
FP - полетное задание;
G – данные целеуказания;
E - архитектура внешней среды;
FUS - вектор управления;
FV – единое групповое информационное поле.
      Текущее состояние БЛА характеризуется переменными состояния si(t) в момент времени  которые, в первую очередь, представляют собой сигналы с датчиков ориентации в пространстве. Речь идет об угловых координатах, таких как угол рысканья ?, угол тангажа ?, угол крена ? и линейных ускорениях по трем осям ax, ay, az. Также текущее состояние характеризуется текущей скоростью V, углами атаки ?, скольжения ? и курса ?. В конечном итоге, имеем следующий вектор:
   					()
      В НКР под системой восприятия внешней среды следует понимать комплекс устройств, с помощь которых осуществляется «добыча» целевой информации. Это может быть система технического зренияВ процессе выполнения полетного задания, в целях повышения скрытности, БЛА находится в режиме радиомолчания, то есть регистрирует излучения от окружающих объектов пассивным каналом РЛВ. Двухкоординатным пеленгатором DF в этом случае будет получена следующая информация:
     						()
где ? - азимут обнаруженного объекта;
? - угол места обнаруженного объекта.
Так как объектов может быть найдено несколько, то данные следует сохранять в массив
   За время полета несколько раз (число зависит от заложенного алгоритма) «раскрывать» визир. Активном каналом можно получить следующую информацию:
     				(9)
где R - наклонная дальность обнаруженного объекта;
 - эффективная площадь рассеяния обнаруженного объекта;
– скорость объекта. [7]
   Данные целеуказания G представляют собой, в первую очередь, зону возможного появления целей - прямоугольную область в горизонтальной плоскости наведения (плоскость XZ), в которой потенциально могут находиться целевые объекты или ордер целевых объектов. Данную область предлагается формировать двумя вершинами прямоугольника, находящихся по диагонали. 
   Во вторую очередь, в зоне возможного появления целей могут быть получены первичные координаты нахождения целей с помощью спутниковой связи и разведывательных летательных аппаратов. В конечном итоге, данные целеуказания образуют следующую функцию.
   Архитектура внешней среды E для БЛА ОП представляет собой базу знаний об объектах, которые потенциально являются целевыми. Как уже было отмечено, «каркас» базы знаний может быть основан на онтологии [4]. Важно отметить, что каркас должен основываться в зависимости от методов обнаружения и распознавания объектов окружающей среды.
   Онтология архитектуры внешней среды будет иметь вид:
   					(3)
где OBJ - множество партономий объектов obj:
				(4)
REL - связи между целевыми объектами.
   Партономией объекта являются его отличительные признаки, например геометрические или физические. Принципы ее составления полностью зависят от того, какими методами и устройствами будет восприниматься внешняя среда. В общем случае, на языках программирования партономию удобно реализовывать с помощью структур:
       struct {
       параметр 1;
       параметр 2;
       ...
       параметр n;
       };
   Учитывая, что восприятие среды БЛА ОП осуществляется с помощью РЛВ, то с помощью партономий предлагается создавать эталонные радиолокационные портреты (сигнатуры) объектов. Таким образом, можно создать сигнатуру на основе трех параметров: эффективной площади рассеяния, скорости, высоты. Связи REL между объектами позволяют формировать продукционные правила («if-then» rules), которые реализуют алгоритмы сравнения полученных сигнатур с эталонными. Пример продукционного правила может быть такой: Если произошел отказ работы высотомера, то активировать акселерометр по оси Y.
   линейных координатах долготе ?, широте ? и высоте на уровнем моря h Для формирования маршрута БЛА ОП в бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ) записывают полетное задание FP, которое представляет собой несколько заданных опорных координат Vi. Каждая координата есть вектор:
     					(7)
где ? - координата по долготе;
? - координата по широте;
oh - координата высоты над уровнем моря.
По опорным координатам БЦВМ выстраивает траекторию полета. Полетное задание FP представляет собой ориентированный граф:
					(8)
где V0 - стартовая координата;
 - промежуточные опорные координаты;
Vk - конечная координата.
   Заметим, что у БЛА многоразового применения полетное задание FP может представлять собой цикл, то есть ориентированный граф, в котором . Для БЛА одноразового применения полетное задание FP всегда является деревом, то есть ориентированным графом, в котором . Указанное утверждение можно использовать в качестве защиты против метода «подмены координат» (GPS-spoofing).
   На основе измеренных параметров формируются сигналы управления следящим системам БЛА. Модель следящей системы БЛА, изображена на рисунке 3. Она состоит из исполнительного механизма, рабочего органа и датчика обратной связи (ДОС). В основном это приводы рулей, которыми также управляет система управления движением БЛА. Сигналы, поданные на следящие системы, образуют вектор управления FUS:
     						(11)
где fusi - сигнал, поданный на i-ю следящую систему.

   Рисунок 3
   Далее подробно рассмотрим вопросы реализации единого информационного поля FV.
В третьей главе «Исследование архитектур информационного взаимодействия беспилотных летательных аппаратов» важнейшей деталью обеспечения группового полета БЛА является наличие информационного обмена между отдельными участниками группы, целью которого является оперативная передача информации об обнаруженных объектах. Для этого на каждом БЛА должна быть предусмотрена система обмена информации (СОИ), которая включает в себя блок подготовки информации и антенну приемо-передачи. Построим соответствующую архитектуру БСУ БЛА в процессе информационного обмена.

Рисунок 4 Архитектура БСУ БЛА
     Из приведенной на рисунке 4 архитектуры видно, что РЛУ принимает параметры объектов согласно (6). Далее проводится преобразование параметров в БЦВМ в удобный для работы вид. После проводится подготовка к передачи информации и наконец сама передача, которая осуществляется на языке предикатов, являющийся удобным для использования в однородной многоагентной системе. 
     Теперь рассмотрим архитектуры непосредственно самого информационного обмена. Изображенную архитектуру на рисунке 5 назовем «каждый с каждым». Главное ее достоинство в простоте организации с физической точке зрения. Недостатком является высокая неустойчивость к ошибке в алгоритме, которая может попросту привести всю систему к зацикливанию. 

Рисунок 5 Архитектура информационного обмена
     Архитектура, изображенная на рисунке 6, построена на основе модели «классной доски» (blackboard model).[8] Суть состоит в том, что собранная информация передается не между участниками группы, а на внебортовую вычислительную машину, что существенно разгружает бортовую память каждого БЛА. В принципе, в этом случае информационный обмен между отдельными БЛА не осуществляется.

Рисунок 6 Архитектура «классной доски»
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
      В НКР получены следующие основные результаты:
      1 Единый агентно-ориентированный подход к моделированию информационного взаимодействия между беспилотными летательными аппаратами.
      2 Базовая модель информационного взаимодействия между беспилотными летательными аппаратами.
      3 Система онтологий информационного взаимодействия между беспилотными летательными аппаратами.
      4 Схема диалогового управления.
      Подводя итоги НКР, можно заключить, что все полученные результаты направлены на разработку интеллектуальной системы управления (интеллектуализацию). При этом стоит иметь в виду, что интеллектуальность в данном случае является методом борьбы с НЕ-факторами. 
      
      Для получения дальнейших результатов по теме НКР открыт грант в Российском фонде фундаментальных исследований №18-07-00063 «Исследование и разработка основанных на знаниях методов и алгоритмов управления беспилотным летательным аппаратом корабельного базирования».
Список опубликованных работ по теме НКР

1 Смирнов Д.С. Спец.тема. // Корабельные и бортовые многоканальные информационно-управляющие системы. – 2016. - №25. – С.32-40.
2 Смирнов Д.С. Задача обеспечения группового информационного взаимодействия беспилотных летательных аппаратов // Проблемы развития корабельного вооружения и судового радиоэлектронного оборудования. - 2016. - №4(9). - С.17-22.
3 Смирнов Д.С. Задача управления группой беспилотных летательных аппаратов // Труды НИИ оперативно-стратегических исследований строительства ВМФ. – 2016. 
4 Смирнов Д.С. Спец.тема. // Корабельные и бортовые многоканальные информационно-управляющие системы. – 2017. - №26. – С.91-98.
5 Подоплекин Ю.Ф., Смирнов Д.С., Никольцев В.А., Приходько В.В. Задача интеллектуализации системы управления группой беспилотных летательных аппаратов // Морская радиоэлектроника – 2018. - №1(63). – С.42-46.
.......................