Зау Хтет Наинг. Математическая модель, алгоритмы и программный комплекс для предотвращения столкновений беспилотных летательных аппаратов гражданского назначения

Краткое описание

Зау Хтет Наинг. Математическая модель, алгоритмы и программный комплекс для предотвращения столкновений беспилотных летательных аппаратов гражданского назначения: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.13.18 / Зау Хтет Наинг;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Комсомольский-на-Амуре государственный университет»], 2020

Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Комсомольский-на-Амуре государственный университет»
На правах рукописи
Зау Хтет Наинг
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЙ
КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ СТОЛКНОВЕНИЙ
БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
ГРАЖДАНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Специальность 05.13.18 -Математическое моделирование, численные
методы и комплексы программ
Диссертация на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор, Бердоносов Виктор Дмитриевич
Комсомольск-на-Амуре - 2020
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ И АЛГОРИТМЫ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ СТОЛКНОВЕНИЙ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 13
1.1 Анализ систем предотвращения столкновений беспилотных летательных
аппаратов со статическими объектами 18
1.2 Анализ систем предотвращения столкновений беспилотных летательных
аппаратов с динамическими объектами 26
1.3 Технические средства оценки положения потенциальных динамических
угроз 38
1.3.1 Некорпоративные системы 38
1.3.2 Корпоративные системы 39
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМНОГО ДВИЖЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 46
2.1 Математическая модель движения беспилотных летательных аппаратов .. 46
2.2 Математическая модель движения беспилотных летательных аппаратов под
управлением автопилота 48
2.3 Математическая модель взаимного движения двух и более беспилотных
летательных аппаратов 49
2.4 Линеаризация траекторий движения беспилотных летательных
аппаратов 52
2.5 Модель оценки параметров, позволяющих исключить столкновения
беспилотных летательных аппаратов 54
2.5.1 Модель оценки точки скрещивания 55
2.5.2 Модель оценки высотных параметров 57
2.5.3 Модель оценки критических скоростей 57
2.5.4 Модель оценки ускорений, предотвращающих столкновения 61
2.6 Комплексная модель оценки параметров, позволяющих исключить
столкновения беспилотных летательных аппаратов 62
2.7 Проверка адекватности моделей компьютерным моделированием 65
ГЛАВА 3. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ МЕТОД ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ СТОЛКНОВЕНИЙ С УЧЁТОМ ОГРАНИЧЕНИЙ НА РЕСУРСЫ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 73
3.1 Математическая постановка задачи предотвращения столкновений беспилотных летательных аппаратов с учётом ограниченности их ресурсов.... 73
3.2 Выбор метода численного решения задачи предотвращения столкновений беспилотных летательных аппаратов с учётом ограниченности их ресурсов... 76
3.3 Применение метода Монте-Карло для получения аппроксимирующего
выражения границы зоны взаимодействия 78
3.3.1 Прямое использование метода Монте-Карло 78
3.3.2 Использование дискретизации области поиска по полярному углу .... 80
3.3.3 Использование контекстного сужения области поиска по радиус-
вектору 81
3.4 Аппроксимирующее выражение для границ зоны взаимодействия 85
3.5 Проверка адекватности аппроксимирующего выражения компьютерным
моделированием 87
ГЛАВА 4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО МЕТОДА ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ СТОЛКНОВЕНИЙ 89
4.1 Технические требования к системе предотвращения столкновений 89
4.2 Методика реализации метода предотвращения столкновений 92
4.3 Архитектура программного комплекса моделирования метода
предотвращения столкновений 98
4.3.1 Подсистема генерации навигационных параметров беспилотных
летательных аппаратов 98
4.3.2 Подсистема моделирования движения беспилотных летательных
аппаратов 100
4.3.3 Подсистема формирования управляющих воздействий на автопилот
беспилотного летательного аппарата 102
4.3.4 Подсистема визуализации моделирования и вывода результатов
моделирования 103
4.4 Результаты моделирования метода предотвращения столкновений 105
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 114
ПРИЛОЖЕНИЕ A. Охранные документы на результаты интеллектуальной деятельности 130

Список литературы

Выводы по четвертой главе
1. Сформированы технические требования к программной реализации си-стемы предотвращения столкновений.
2. Представлен алгоритм предотвращения столкновений большого числа БПЛА, находящихся в едином воздушном пространстве.
3. Разработана программная архитектура системы предотвращения столкновений и программного комплекса моделирующего движения БПЛА.
4. Представлены результаты компьютерного моделирования работы си-стемы предотвращения столкновений при одновременном нахождении в «воз-духе» одиннадцати «чужих».
112
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе проведённого исследования решён ряд задач:
1) разработаны алгоритмы обнаружения потенциально опасных динами- чески-движущихся объектов;
2) разработан алгоритм оценки возможности столкновения, по особен¬ностям и характеристикам поведения этих объектов;
3) разработаны алгоритмы расчётов необходимых параметров для укло¬нения;
4) разработанные алгоритмы реализованы в программном комплексе для моделирования движения БПЛА и их визуального отображения.
В первой главе была рассмотрена история БПЛА и их систем управления. Далее были описаны основные манёвры уклонения, выполняемые воздушными аппаратами, и осуществлена оценка эффективности этих манёвров. Выявлена необходимые функции, которые должна выполнять система предотвращения столкновения и представлена её общая структура, основанная на этих функциях. Были рассмотрены различные технические средства и осуществлён выбор наиболее подходящих, а именно БПЛА, имеющие модуль GPS/ГЛОНАСС и модуль автоматического зависимого наблюдения-вещания либо модуль, соче¬тающий в себе и функции GPS/ГЛОНАСС модуля, и модуля АЗН-В. В конце главы приводится краткое описание технологии АЗН-В, являющейся очень перспективной и внедряемой во многих странах мира, в том числе и в Росси.
Во второй главе были приведены формулы, с помощью которых можно определить: параметры движения двух аппаратов (двигаются ли они оба в точ¬ку скрещивания ли нет), возможность столкновения и параметры необходимого манёвра уклонения для «своего» БПЛА. Далее эти формулы были реализованы в компьютерной программе для моделирования движения.
В третьей главе приведены выражения для определения границ зоны вза¬имодействия. В качестве метода численного решения нахождения корней нели¬нейного уравнения, определяющих границы зоны взаимодействия, выбран ме¬тод Моне-Карло. Приведён алгоритм повышения эффективности метода Мон-
те-Карло путем контекстного сужения области поиска. Определены аппрокси¬мирующие полиномы границ зоны взаимодействия для разных значений пара-метров БПЛА. Представлены значения коэффициентов этих полиномов.
В четвёртой главе представлено описание разработанного программного комплекса для моделирования движений БПЛА. На нём продемонстрировано расчёт параметров скоростного манёвра уклонения и выполнение манёвра. Для расчёта параметров использовались методы и формулы, описанные во второй и третьей главах.
Проведённые моделирования показывают, что манёвры, выполненные по полученным параметрам, действительно позволяют «своему» БПЛА безопасно уклониться от столкновения с «чужими» БПЛА.