СИСТЕМЫ АНАЛИЗА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

В настоящее время наблюдается рост использования групп автономных беспилотных летательных аппаратов (БпЛА) для выполнения различных миссий. В связи с этим возникает проблема оптимизации энергетического обеспечения такой группы. Данная проблема сопряжена с двумя основными задачами. Во-первых, энергоснабжение группы должно позволять ей выполнять миссию с заданным качеством и процентом успешности. Во-вторых, должно способствовать экономии энергоресурсов, затрачиваемых для снабжения такой группы.

В настоящей статье развивается новый подход обеспечения энергосбережения группы БпЛА за счет использования распределенной системы модулей станций подзарядки, с перестраиваемой структурой, обеспечивающей необходимую универсальность в обслуживании разных типов аппаратов. Предполагается, что модули подзарядки установлены на подмножестве станций обслуживания, между которыми курсируют БпЛА мультикоптерного типа. Необходимо выработать и обосновать функционал качества выполнения миссии группой, провести исследование функционирования группы БпЛА для различных количеств модулей подзарядки и их распределений по множеству всех станций, оценить соответствующие значения указанного функционала качества и далее решить оптимизационные задачи по нахождению распределений, доставляющих максимум функционалу для каждого числа модулей.

В статье предлагается в качестве такого функционала отношение общего числа БпЛА, успешно отработавших выданные им задания по развозу грузов в течение определенного числа однотипных миссий, к полному числу вылетов всех БпЛА в течение этих миссий.   

Модель движения БпЛА между пунктами назначения предполагает учет не только крейсерского режима, но и маневрирования аппарата при взлете и посадке; также учитывается зависимость скорости расходования энергии от текущих кинематических величин аппарата. Предусмотрено падение аппарата в случае расходования им энергии ниже предельного порогового значения. Разработана упрощенная модель станции обслуживания с модулем подзарядки, подразумевающим замену разряженных аккумуляторных батарей. Учтен режим ожидания БпЛА в очереди. 

Для подбора и оптимизации подходящей структуры и состава распределенной системы модулей подзарядки для выполнения типовых миссий группой БпЛА с заданным критерием качества создано и апробировано программное обеспечение на базе среды Unity. Адаптивность последнего позволяет исследовать различные распределения станций подзарядки для разных исходных технических условий функционирования группы БпЛА. 

1. Косова А.Е., Кориков А.М. Автоматическая посадка малых беспилотных летательных аппаратов с использованием компьютерного зрения // Доклады ТУСУР. – Т. 20, № 3. – C. 191–196. – DOI: 10.21293/1818-0442-2017-20-3-191-196.

2. Функциональная модель взаимодействия БЛА с наземной роботизированной платформой при решении сельскохозяйственных задач / К.Т. Нго, В.В. Нгуен, И.Ю. Харьков, Е.Е. Усина, О.О. Шумская // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. – 2018. – Вып. 6-3. – С. 41–50.

3. Galimov M., Fedorenko R., Klimchik A. UAV positioning mechanisms in landing stations: classification and engineering design review // Sensors. – 2020. – Vol. 20 (13). – P. 3648. – DOI: 10.3390/s20133648.

4. Патент № 2710887 C1 Российская Федерация. Посадочная платформа для беспилотного летательного аппарата: опубл. 14.01.2020 / Габдуллин А.Р., Галимов М.М., Климчик А.С.

5. Патент № 2722249 C1 Российская Федерация. Посадочная платформа для БпЛА вертикального взлета и посадки: опубл. 28.05.2020 / Габдуллин А.Р., Галимов М.М., Климчик А.С.

6. HEISHA DNEST 2 / Heisha Technology. – URL: https://www.heishatech.com/ solutions/dnest-hardware-for-drone-in-a-box-solution/ (accessed: 01.02.2024).

7. Patent US 9387928B1. Multi-use UAV docking station systems and methods: date of patent Jul. 12, 2016 / N.K. Gentry, R. Hsieh, L.K. Nguyen.

8. Patent US 9139310B1. Systems and methods for UAV battary exchange: date of patent Sep. 22, 2015 / M. Wang.

9. Patent WO 2016/113766. Electrically charging system for drones: publ. date 21.07.2016 / Ippolito M.

10. Фетисов В.С., Ахмеров Ш.Р., Сизоненко Р.В. Интеллектуальная коммутация бортовых посадочных электродов БпЛА с открытыми контактными площадками зярядной платформы // Второй Всероссийский научно-практический семинар «Беспилотные транспортные средства с элементами искусственного интеллекта»: труды семинара. – СПб., 2015. – С. 115–122.

11. Широков И.Б., Широкова Е.И., Азаров А.А. Система беспроводной передачи энергии // Инфокоммуникационные и радиоэлектронные технологии. – 2019. – Т. 2, № 3. – C. 380–389.

12. Аппаратно-алгоритмическое обеспечение перспективной системы энергосбережения автономной группы БпЛА / М.Ю. Медведев, В.А. Костюков, М.Ю. Бутенко, В.Г. Гисцов, И.Д. Евдокимов // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2022. – № 5. – С. 230–243.

13. A distributed framework for energy trading between UAVs and charging stations for critical applications / V. Hassija, V. Chamola, D.N.G. Krishna, M. Guizani // IEEE Transactions on Vehicular Technology. – 2020. – Vol. 69 (5). – P. 5391–5402. – DOI: 10.1109/TVT.2020.2977036.

14. Li Li, Jie Wu,Yixiang Xu, Jun Che, Jin Liang. Energy-controlled Optimization Algorithm for Rechargeable Unmanned Aerial Vehicle Network // 2017 12th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA). – 2017. – Vol. 43. – P. 1337–1342.

15. Kostyukov V., Pshikhopov V. System of decentralized control of a group of mobile robotic means interacting with charging stations // Frontiers in Robotics and Electromechanics / ed. by A. Ronzhin, V. Pshikhopov. – Springer, 2023. – P. 235–263. – (Smart innovation, systems and technologies; vol. 329). – DOI: 10.1007/978-981-19-7685-8_16.

16. Нараянан Р. Выбор катушек для беспроводных зарядных устройств // Компоненты и технологии. – 2015. – № 9. – С. 26–32.

17. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. – М.: Наука, 1969. – 576 с.