Разработка методов и моделей интеллектуально-геометрического управления автономными летательными аппаратами в условиях возмущенной воздушной среды

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-71-10163

НазваниеРазработка методов и моделей интеллектуально-геометрического управления автономными летательными аппаратами в условиях возмущенной воздушной среды

Руководитель Хачумов Михаил Вячеславович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Информатика и управление" Российской академии наук" , г Москва

Конкурс №23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-519 - Интеллектуальные динамические системы и технологии управления

Ключевые слова интеллектуально-геометрическая теория управления, методы и алгоритмы управления, продукционные правила, роботизированная система, летательный аппарат, строй, преследование цели, прогнозирование траектории, математическое обеспечение бортовых систем, недетерминированная среда, моделирование.

Код ГРНТИ28.23.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Интеллектуальные роботизированные комплексы с автономным циклом управления, обладающие способностью образовывать коалиции и адаптироваться к изменяющимся условиям внешней среды, высоко востребованы в различных странах мира. В настоящее время происходит переход от летательных аппаратов, дистанционно управляемых оператором, к аппаратам, способным выполнять целевые задачи в автоматическом (автономном) режиме. Решение этой задачи стало возможно благодаря комплексному развитию теории автоматических, информационных и вычислительных систем. В проекте рассматриваются методы интеллектуально-геометрического управления беспилотных летательных аппаратов и их коалиций, способных автономно функционировать в недетерминированной окружающей среде. Встраивание баз знаний, продукционных правил и методов адаптации в системы геометрического управления позволяет создать эффективную по точности и быстродействию технологию управления роботизированными системами реального времени с высоким уровнем надежности, расширить область применения теории в условиях неопределенности окружающей среды. Исследования в области управления роботизированными системами ведутся во многих научных центрах мира, в том числе в МГТУ им. Баумана, ИПМ им. Келдыша, ИПМех РАН, ЦНИИ РТК, в университетах США – Карнеги Меллон (Carnegie Mellon University), Стэнфорд (Stanford University), Германии – Бонн (University of Bonn), Австралии – Сидней (The University of Sidney). Большинство разработок испытывают дефицит теории, алгоритмов и программ для решения наиболее трудной проблемы – достижения автономности управления, как отдельных летательных аппаратов, так и их групп. Несмотря на наличие большого числа публикаций, в которых исследуются современные подходы к синтезу алгоритмов обработки информации и управления, проблема остается нерешенной в полной мере. Это связано с принципиальной невозможностью знания точной математической модели летательного аппарата и окружающей динамической среды, отсутствием стабильности характеристик датчиков в условиях помех. Попытки решить плохо формализуемую проблему управления при наличии большого количества разнородной информации на основе одного подхода, не приводят к успеху. Актуальность интеллектуально-геометрического управления, с одной стороны, определяется востребованностью автономных летательных аппаратов, а с другой – отсутствием теории и методов, позволяющих успешно решать задачи управления в условиях неопределенности и существенных внешних возмущений. Из анализа работ мирового уровня и достигнутых в них результатов следует, что математический аппарат управления группами летательных аппаратов в недетерминированной среде до конца не сформирован, предлагаемые решения являются разрозненными, позволяют решать лишь отдельные задачи, и не носят системного характера. Отсюда следует актуальность разработки новых методов решения сформулированной фундаментальной проблемы, опирающихся на интеграцию методов геометрического и интеллектуального управления. Для решения задач управления группой автономных летательных аппаратов, включая формирование заданного строя, следование по заданному маршруту и преследование цели в возмущенной среде, предлагаются следующие методы и подходы: 1. Метод рационального размещения заданного числа летательных аппаратов в установленной формации с наложенными геометрическими ограничениями. 2. Метод решения задачи безопасного преобразования строя: перехода группы летательных аппаратов из одной заданной формации в другую при минимизации временных и прочих затрат. 3. Геометрические и интеллектуальные методы расчета и прогнозирования траекторий движения летательных аппаратов в том числе с применением аппарата сплайн-функций и искусственных нейронных сетей. 4. Методы решения тракторных задач на основе интеллектуального управления, основанного на стратегиях и правилах, имитирующих поведение пилота (человека-оператора) и геометрического управления (включая принцип максимума Л.С. Понтрягина) в условиях действующих возмущений и установленных ограничений на управление. 5. Методы программно-аппаратной реализации алгоритмов управления с регулируемой точностью и скоростью в бортовых вычислительных комплексах. Анализируя работы в области управления [Аграчев А.А., Сачков Ю.Л. Геометрическая теория управления. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. – 392 c.; Моисеев В.С. Прикладная теория управления беспилотными летательными аппаратами: монография. – Казань: ГБУ «Республиканский центр мониторинга качества образования», 2013. – 768 с.; Осипов Г.С. Динамические интеллектуальные системы // Искусственный интеллект и принятие решений, 2008, №1, с. 47-54 и др.] можно отметить, что главным принципом функционирования интеллектуальных систем является высокая степень автономности, способность к устойчивому сохранению или достижению целевых состояний в условиях взаимодействия внешних факторов, нарушающих эти состояния или мешающих их достижению. В настоящее время наблюдается разрыв между достижениями теории интеллектуального управления и достижениями в области классической теории автоматического управления динамическими системами. Решение видится в объединении принципов и теорий в рамках единой системы управления летательными аппаратами. Новизна тематика предлагаемого проекта определяется разрабатываемыми методами интеллектуального управления группами летательных аппаратов, основанными на знаниях. В настоящем проекте впервые решается задача совместного применения в составе одной роботизированной системы дополняющих друг друга методов точного геометрического и интеллектуального управления. Исследование этого взаимодействия является целью настоящего проекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Мелехин В.Б., Хачумов М.В. Пополнение знаний автономного беспилотного квадрокоптера – манипулятора в недоопределенной проблемной среде Искусственный интеллект и принятие решений, №1, c. 39-48 (год публикации - 2019)
10.14357/20718594190104

2. Хачумов М.В.,Мелехин В.Б., Панкратов А.С., Андрейчук А.А. The Use of Frame-Based Microprograms for Planning the Behavior of an Intelligent Unmanned Aerial Vehicle in an Uncertain Environment CEUR Workshop Proceedings - The 1st Workshop (Summer Session) in the framework of the Conference on Information and Telecommunication Technologies and Mathematical Modeling of High-Tech Systems (ITTMM-WSS-2018), P.79-86 (год публикации - 2018)

3. Хачумов М.В., Хачумов В.М. Models for periodic task scheduling based on combining data processing cycles to support the onboard navigation and control system of a UAV Proceedings of the 2019 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), 6 p. (год публикации - 2019)

4. Хачумов М.В., Хачумов В.М. The architecture and mathematical support of an intelligent control system for a small UAV Proceedings of the 2019 International Conference on Industrial Engineering (ICIE-2019), 6 c. (год публикации - 2019)

5. Мелехин В.Б., Хачумов М.В. Инструментальные средства самоорганизации коллектива автономных беспилотных летательных аппаратов в условиях неопределенности Авиакосмическое приборостроение, №.2, c. 44-51 (год публикации - 2019)
10.25791/aviakosmos.02.2019

6. Хачумов М.В. Методы обработки слабоструктурированной информации и интеллектуально-геометрического управления беспилотными летательными аппаратами Издательство URSS, Москва, 198 с. (год публикации - 2019)

7. Хачумов М.В. The problems of multi-point route planning and rule-based trajectory tracking for an autonomous UAV under wind loads The 15th International Workshop on Advanced Motion Control (AMC2018) – Proceedings (Tokyo, Japan, March 9-11, 2018), p.204-208 (год публикации - 2018)

8. Мелехин В.Б., Хачумов М.В. Планирование маршрута целенаправленного полета автономного летательного аппарата на низкой высоте в условиях неопределенности Авиакосмическое приборостроение, №1, С. 18-27 (год публикации - 2018)

9. Хачумов М.В. Controlling flight vehicle motion and onboard video camera for tracking a dynamic target 2017 International Multi-Conference on Engineering, Computer and Information Sciences (SIBIRCON) - Proceedings (September 18-22, 2017), Russia, Novosibirsk Akademgorodok, P.221-227 (год публикации - 2017)
10.1109/SIBIRCON.2017.8109875

10. Хачумов М.В. Планирование и моделирование траекторного движения летательного аппарата в сложных условиях Искусственный интеллект и принятие решений, №1, С.3-11 (год публикации - 2018)

11. Хачумов М.В, Хачумов В.М. The model of UAV formation based on the uniform allocation of points on the sphere 13th International Scientific-Technical Conference on Electromechanics and Robotics “Zavalishin’s Readings” – 2018 (St. Petersburg, Russia, April 18-21, 2018), MATEC Web Conf., Vol. 161, P. 1-4 (год публикации - 2018)

Публикации