Граф Марина Сергіївна Моделі та інформаційні технології обробки інформації в безпілотних повітряних суднах

Краткое описание

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису

ГРАФ МАРИНА СЕРГІЇВНА

УДК 004.942:629.7.014-519(043.5) ДИСЕРТАЦІЯ

МОДЕЛІ ТА ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ОБРОБКИ ІНФОРМАЦІЇ В БЕЗПІЛОТНИХ ПОВІТРЯНИХ СУДНАХ

122 - Комп’ютерні науки 12 - Інформаційні технології

Подається на здобуття наукового ступеня доктора філософії

Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей, результатів і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело М.С. Граф

Науковий керівник:

Квасніков Володимир Павлович Заслужений метролог України, д.т.н., професор

Київ-2021

ЗМІСТ

АНОТАЦІЯ.................................................................................................................................... 2

SUMMARY..................................................................................................................................... 7

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ ТА ПОЗНАЧЕНЬ........................................................... 17

ВСТУП.......................................................................................................................................... 18

РОЗДІЛ 1 СУЧАСНИЙ СТАН РОЗРОБКИ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ПО КЕРУВАННЮ РУХОМИМИ ОБ’ЄКТАМИ.............................................................................. 26

1.1. Аналіз літературних джерел по обробці інформації в комп’ютеризованих системах безпілотних повітряних суден........................................................................................... 26

1.2. Аналіз впливу дестабілізуючих факторів.............................................................................. 42

1.3. Постановка наукової задачі.................................................................................................... 47

Висновки до розділу 1 ............................................................................................................... 48

Список використаних джерел до розділу 1 ............................................................................... 49

РОЗДІЛ 2 ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ОБРОБКИ ІНФОРМАЦІЇ В БЕЗПІЛОТНОМУ ПОВІТРЯНОМУ СУДНІ............................................................................................................. 58

2.1. Методи обробки інформації в безпілотних повітряних суднах і класифікація моделей 58

2.2. Математичні моделі обробки інформації в комп’ютерних системах блоку керування 78

2.3. Модель модернізованої багаторівневої системи керування................................................. 83

2.4. Синтез системи прийняття рішень в комп’ютеризованій системі керування безпілотним повітряним судном ........................................................................................................... 87

Висновки до розділу 2................................................................................................................. 88

Список використаних джерел до розділу 2................................................................................ 89

РОЗДІЛ 3 ОПТИМІЗАЦІЯ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ безпілотного повітряного судна ТА ПРИЙНЯТТЯ РІШЕННЯ............................................................................................................ 93

3.1. Оцінка інформаційних параметрів в задачах керування безпілотними повітряним судном із застосуванням фільтру Калмана.................................................................................... 94

3.2. Алгоритм навчання штучної нейронної мережі.................................................................. 100

3.3. Синтез інтелектуальної системи керування та прогнозування стану . 105

3.4. Навчання рекурентної мережі Хопфілда............................................................................. 118

3.5. Синтез системи керування безпілотним повітряним судном в умовах невизначеності 121

Висновки до розділу 3............................................................................................................... 129

Список використаних джерел до розділу 3.............................................................................. 131

16

РОЗДШ 4 СИНТЕЗ АДАПТИВНИХ АЛГОРИТМЮ ШДВИЩЕННЯ ПРИСУТНОСТI ОБМЕЖЕНИХ ВПЛИВIВ......................................................................................................... 135

4.1. Синтез алгоритму по коригування точності та швидкості передачі інформації в безпілотному повітряному судні..................................................................................... 136

4.2. !мітаційне моделювання процесів керування системи автоматичного керування...... 144

4.3. Прийняття рішень в системі керування............................................................................... 150

4.4. Розробка комп’ютеризованої системи обробки інформації для побудови траєкторії руху безпілотного повітряного судна...................................................................................... 155

Висновки до розділу 4............................................................................................................... 165

Список використаних джерел до розділу 4.............................................................................. 166

Загальні висновки...................................................................................................................... 169

Додаток А................................................................................................................................... 171

Додаток Б.1................................................................................................................................. 175

Додаток Б.2................................................................................................................................. 177

Додаток Б.3................................................................................................................................. 179

Додаток Б.4................................................................................................................................. 180

Додаток Б.5................................................................................................................................. 181

Додаток В.1................................................................................................................................ 187

Додаток В.2................................................................................................................................ 189

Додаток Д................................................................................................................................... 192

Список литературы

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

169

У дисертаційній роботі розв’язано задачі зі створення інформаційної технології по обробці інформації в безпілотному повітряному судні, яка базується на нейронних мережах та дає можливість при спрощеному математичному описі розв’язувати задачі адаптації БПС в умовах дії дестабілізуючих факторів і забезпечити прийняття рішення по обходу перешкод в реальному часі.

У напрямках даного напрямку отримані такі наукові результати, що мають містити істотні переваги над існуючими рішеннями:

1. Запропоновано використовувати методи машинного навчання з підкріпленням, зокрема алгоритм Q-Learning для побудови траєкторії між двома заданими пунктами призначення з можливістю обходу нерухомих перешкод. В результаті роботи було створено програму для навчання нейронної мережі, для розрахунків та руху БПС по заданій траєкторії з обходом перешкод. Показано ефективність роботи алгоритму Q-Learning для навчання, в залежності кількості кроків від етапів навчання та від винагород, що отримується. Для визначення найкоротшого шляху побудовано кінцеву таблицю з результатами виконання програми при знаходженні оптимальної траєкторії руху в статичному середовищі. Побудована таблиця дозволяє визначити оптимальне рішення про наступну дію агента. Було визначено, що найменша кількість кроків, необхідних для руху по заданій траєкторії становить 18, а найбільша 273 кроки.

2. Проведено моделювання системи для відео супроводження рухомих об’єктів. Побудовано графіки залежностей функції інтенсивності маневру від коефіцієнту а при різних значеннях параметрів нормалізованого розміру кадру та коефіцієнтом надійності. Запропоновано алгоритм врахування координат для рухомого об’єкту спостереження, зокрема перешкод.

3. Розроблено структурну схему комп’ютеризованої системи обробки інформації для побудови траєкторії руху у динамічному середовищі. До

170

розробленої схеми, крім зазвичай прийнятих компонентів, було додано блок обробки оптичних даних та блок прогнозування. Розроблено покроковий алгоритм для розрахунку параметрів руху спостережуваного об’єкта.

4. Проведено планування траєкторії руху БПС в динамічному середовищі з врахуванням перешкод з використанням нейронної мережі CNN, та гібриду CNN+LSTM. Створено програму для запропонованої реалізації. При використанні тільки CNN коефіцієнт успіху досягає 74 %, а при гібридному використанні CNN+LSTM - 92 %.

5. Для корекції точності та швидкості передачі інформації було побудовано логіко-лігнвістичну модель, до дозволяє приймати управлінські рішення за умови відхилення цих характеристик від встановленого оптимального значення. Оптимальне значення може варіюватися в залежності від інших характеристик та задачі аналізу інформації.

6. Проведено моделювання руху БПС з врахуванням збереження поздовжньої осі БПС в горизонтальній площині, для запобігання зниження враховано запас вертикальної швидкості та можливості зміни кута крену на 90 та 180 градусів.

7. Розроблено інтелектуальну систему з врахуванням впливу дестабілізуючих факторів, що дозволяє підвищити швидкість обробки інформації за рахунок використання одразу декількох алгоритмів для обробки інформації, сучасної мови програмування Phython.