Тема: Разработка программного комплекса построения оптимальной траектории движения БПЛА

В последнее время в связи с бурным развитием техники и электроники большой интерес исследователей привлекает создание и управление беспилотными летательными аппаратами. Беспилотный летательный аппарат или БПЛА (в СМИ упоминается, как «дрон» или «беспилотник») - летательный аппарат без человеческого экипажа на борту, который осуществляет полёт с помощью удаленного управления с поверхности Земли или по предварительно запрограммированным траекториям. Повышение интереса к разработке программного обеспечения для БПЛА связано с тем, что они обладают некоторыми преимуществами в сравнении с традиционными пилотируемыми летательными аппаратами. В числе достоинств БПЛА можно назвать их успешную применимость в задачах, являющихся слишком сложными, опасными, или же монотонными для обычных летательных аппаратов с экипажем на борту. Данное направление исследований является актуальным, так как летательные аппараты такого типа находят широкое применение как в гражданских, так и военных задачах, таких как: аэронаблюдение, видеосъёмка и фотография, а также разведка, поисково-спасательные операции, мониторинг окружающей среды, различные задачи служб пожарной безопасности и сельского хозяйства.
На сегодняшний день используются различные способы управления БПЛА: полёт может управляться разными способами с вариативной автономией - например, управляться оператором с поверхности Земли или с подвижного объекта (автомобиля и т.п.) или управляться полностью автономно с помощью встроенного компьютера и датчиков.
Для управления дроном необходимо иметь набор сенсоров, которые могли бы собирать информацию и определять параметры, характеризующие движение БПЛА. В их число входят:
• Гироскоп (для определения углов ориентации)
• GPS или ГЛОНАСС модуль (для определения положения и скорости)
• Контроллеры скорости (для определения скорости)
• Акселерометр (для определения перегрузок)
• Альтиметр (для определения высоты)
• Компас (для определения направления относительно севера)
• Радар (для определения окружающих объектов)
• Камера (для определения местоположения)
Большинство БПЛА используют радиочастотные приёмники, которые соединяют антенну с цифро-аналоговым преобразователем, и бортовой компьютер, управляющий авионикой (который может управлять летательным аппаратом полуавтономно или автономно). Радиопередатчик используется для приёма команд управления дроном и для передачи всевозможных данных (например видео или фото), телеметрии и статуса своих систем.
В качестве управляющей аппаратуры (если речь идёт о полностью автономных дронах небольшого размера), как правило, используются системы с архитектурой RISC (сокращённый набор команд), однокристальные системы (SOC) или вычислители на базе SBC (одноплатный компьютер) - все они позволяют достигнуть максимального быстродействия, сохраняя малый вес аппаратуры. Наоборот же, в больших БПЛА могут использоваться полноценные компьютеры, так как их грузоподъёмность не побуждает инженеров заниматься миниатюризацией аппаратного обеспечения.
Классические операционные системы не подходят для управления БПЛА, так как долгие временные задержки могут оказаться фатальными для летательного аппарата. ОС для дронов могут быть дополненными ПО RaspberryPis, Beagleboards или быть разработаны как самостоятельные, чтобы подходить под жёсткие требования для работы в режиме реального времени.
Зачастую в БПЛА встраивают программное обеспечение, реализующее автопилотирование дроном, упрощающее управление аппаратом. Автопилот полностью берёт на себя выбор траектории, регулирование тяги двигателя и рулей. Данный способ управления является предпочтительным, так как исключает влияние человеческого фактора, а значит и сопряженные с ним ошибки, а также позволяет избежать крушений БПЛА, происходящих по причине потери связи с центром управления. Это приводит к необходимости создания алгоритмов, реализующих автоматическое построение траектории, переводящей БПЛА из одной точки в другую. Что немало важно построенная траектория должна быть оптимальной, так как минимизация расхода топлива, а также времени полета являются одними из наиболее важных условий эффективного использования БПЛА. Следовательно, существует потребность в реализации точного алгоритма, способного предлагать оптимальную траекторию, не затрачивая на это много времени.
Купить

В ходе выполнения работы был создан программный комплекс, предлагающий оптимальную по времени траекторию полёта БПЛА при условии выполнения ограничений на переменные состояния и управляющие воздействия. Для этого был представлен обзор литературы по тематике исследования. Была описана математическая модель управляемого движения БПЛА, которую и было решено использовать впоследствии. Было представлено решение задачи терминального управления полётом БПЛА, разработан алгоритм поиска оптимальной по времени траектории. Создание программного комплекса в целом, а также моделирование алгоритма и тестирование полученного приложения было проведено в пакете MATLAB.
Полученные результаты могут быть использованы для создания алгоритмов возвращения БПЛА на базу в случае потери связи с оператором и для построения систем автоматического управления беспилотными летательными аппаратами. В дальнейшем данный программный комплекс может быть улучшен и дополнен путём внедрения функций управления с обратными связями, функций построения сложных траекторий, состоящих из базовых манёвров и др.

Купить