Разработка методов моделирования, идентификации и управления формациями с распределенными характеристиками

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 22-29-00819

НазваниеРазработка методов моделирования, идентификации и управления формациями с распределенными характеристиками

Руководитель Косов Александр Аркадьевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт динамики систем и теории управления имени В.М. Матросова Сибирского отделения Российской академии наук , Иркутская обл

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-604 - Проблемы теории управления техническими системами

Ключевые слова групповое управление, автономные роботы, движущиеся формации, распределенные характеристики, математические модели, идентификация параметров, динамическая маршрутизация.

Код ГРНТИ50.03.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на продвижение в решении фундаментальной научной проблемы создания конструктивной теории управления большими группами (формациями) подвижных автономных объектов с распределенными характеристиками (такими, как плотности, концентрации, вероятности успешного выполнения заданной полезной работы и т.п.). К числу характерных представителей таких формаций относятся группы автономных подводных роботов, стаи беспилотных летательных аппаратов, с этой же точки зрения можно рассматривать и изучать распространение бактерий или вирусов в организме человека с учетом иммунного ответа. Актуальность развития теории управления техническими системами в данном направлении обусловлена появлением, быстрым развитием и широкими применениями в последние десятилетия таких новых типов управляемых систем, как беспилотные летательные аппараты, автономные подводные роботы, составные космические конструкции, и другие системы взаимодействующих динамических объектов, образующих движущиеся формации. При этом тенденция к миниатюризации подвижных объектов, необходимость их организации в рои или стаи, включающие очень большое число объектов, неизбежно приведет к появлению описания их моделей в терминах макропараметров (таких, как плотности, концентрации и т.п.), аналогично тому, как это происходило на этапе становления гидро- и газодинамики, термодинамики, химической кинетики и т.д. Математические модели таких систем с распределенными параметрами обычно описываются системами дифференциальных уравнений в частных производных. С другой стороны, и при малых количествах входящих в формацию объектов, цели управления могут заключаться в обеспечении заданных распределенных характеристик (например, обеспечения заданного уровня вероятности успешного выполнения некоторой полезной работы в каждой точке некоторой области хотя бы одним из входящих в формацию объектов). Другим типичным примером подобной миссии является продолжительный мониторинг заданной области конечной формацией автономных роботов с целью отслеживания концентраций загрязняющих веществ или плотностей редких или эндемичных биологических видов. Научная значимость получения результатов и продвижения в решении названной проблемы обусловлена тем, что успешное развитие новейших инженерных технологий создания и применения стай автономных роботов, роев беспилотных летательных аппаратов, групп координируемых аппаратов, осуществляющих мониторинг и идентификацию параметров нестационарных физических полей и других подобных инженерных систем с элементами искусственного интеллекта возможно только на основе конструктивной теории управления формациями с распределенными характеристиками. Научная новизна исследований по предлагаемому проекту обусловлена привлечением математического аппарата уравнений в частных производных для изучения распределенных характеристик движущихся формаций. Развитию распределенного и группового управления в современной теории управления техническими системами уделяется большое внимание, идет поток публикаций в англоязычных журналах, однако публикации по применению в этой области науки методов и подходов, использующих уравнения с частными производными, практически не представлены. В проекте также предлагается новый оригинальный подход, сводящий задачу покрытия заданной трехмерной области к новой задаче периодической маршрутизации с временными окнами. Использование гибридного подхода, сочетающего работу генетического алгоритма с методами локального поиска и специализированными эвристиками, позволит рассчитывать траектории на бортовых компьютерах роботов группы. Отказ от использования заранее предписанных траекторий движения позволит осуществлять патрулирование областей сложных форм, а также затруднит для потенциального нарушителя анализ схемы движения патрульных АПР и оценку возможных направлений проникновения. Кроме того, дополнительное требование коммуникационной устойчивости группы должно сохранять регулярную способность любых двух роботов группы связаться друг с другом напрямую или через других роботов группы при ограниченном радиусе передачи данных.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Косов А.А., Семенов Э.И. New exact solutions of the diffusion equation with power nonlinearity Siberian Mathematical Journal, Siberian Mathematical Journal. 2022. V. 63. № 6. P. 1282-1299. (год публикации - 2022)
10.1134/S0037446622060106

2. Косов А.А., Семенов Э.И. On a nonlinear ordinary differential equation of the second order Differential Equations, 1 59 143-146 (год публикации - 2023)
10.1134/S0012266123010111

3. Косов А.А. On Analogs of the Bobylev-Steklov Case for a Gyrostat under the Action of a Moment of Gyroscopic Forces Mechanics of Solids, 2022. Vol. 57. No. 7. pp. 27-37 (год публикации - 2022)
10.3103/S0025654422070093

4. Кензин М.Ю., Бычков И.В., Максимкин Н.Н. A Hierarchical Approach to Intelligent Mission Planning for Heterogeneous Fleets of Autonomous Underwater Vehicles Journal of Marine Science and Engineering, Journal of Marine Science and Engineering. 2022; 10(11):1639. (год публикации - 2022)
10.3390/jmse10111639

5. Косов А.А., Семенов Э.И. О движении гиростата под действием потенциальных и гироскопических сил Журнал Средневолжского математического общества, Журнал СВМО. 2022. Т. 24, №1. С. 66-75. (год публикации - 2022)
10.15507/2079-6900.24.202201.66-75

6. Кензин М.Ю., Бычков И.В., Максимкин Н.Н. Двухуровневый подход к координации группы мобильных роботов с ограниченной коммуникацией при выполнении динамических миссий мМатериалы XV мульти-конференции по проблемам управления (МКПУ-2022) (4-6 октября 2022) – г. Санкт-Петербург, 2022., Материалы XV мульти-конференции по проблемам управления (МКПУ-2022) (4-6 октября 2022) – г. Санкт-Петербург, 2022. - С. 55-58. (год публикации - 2022)

7. Косов А.А., Семенов Э.И. On the Integrability and Stability of Stationary Solutions of the Goryachev–Sretensky Gyrostat Journal of Applied and Industrial Mathematics, 3 17 557–570. (год публикации - 2023)
10.1134/S1990478923030092

8. Косов А.А., Семенов Э.И., Тирских В.В. О многомерных точных решениях одной нелинейной системы реакции-диффузии Вестник Удмуртского университета. Математика, механика, компьютерные науки., т. 33. вып. 2. с. 225-239. (год публикации - 2023)
10.35634/vm230203

9. Семенов Э.И., Косов А.А. О точных многомерных решениях нелинейной эллиптической системы со степенной нелинейностью Материалы VIII Международной конференции «Математика, ее приложения и математическое образование» (МПМО23) – Улан-Удэ. Изд-во: ВСГУТУ 2023., Материалы VIII Международной конференции «Математика, ее приложения и математическое образование» (МПМО23) – Улан-Удэ. Изд-во: ВСГУТУ 2023. C.186-188. (год публикации - 2023)
10.53980/9785907599970_186

10. Косов А.А. On the Stability of Stationary Solutions of the Equations of Motion of the Goryachev–Sretensky Gyrostat Mechanics of Solids, 2023. №6. p. 69-82. (год публикации - 2023)
10.3103/S0025654423600460

11. Толстихин А.А. Биологически вдохновленная многоцелевая стратегия управления мобильными агентами при решении задачи обследования поля концентрации Proceedings of the 5th International Workshop on Information, Computation, and Control Systems for Distributed Environments (ICCS-DE 2023), July 3-7, 2023, Irkutsk, Russia. Irkutsk: ISDCT Publisher, Proceedings of the 5th International Workshop on Information, Computation, and Control Systems for Distributed Environments (ICCS-DE 2023), July 3-7, 2023, Irkutsk, Russia. Irkutsk: ISDCT Publisher, 2023. p. 88-96. (год публикации - 2023)

12. Кензин М.Ю., Бычков И.В., Максимкин Н.Н. The multi-depot vehicle routing problem for group monitoring operations on discrete-continuous space Proceedings of the 5th International Workshop on Information, Computation, and Control Systems for Distributed Environments (ICCS-DE 2023), July 3-7, 2023, Irkutsk, Russia. Irkutsk: ISDCT Publisher, 2023., Proceedings of the 5th International Workshop on Information, Computation, and Control Systems for Distributed Environments (ICCS-DE 2023), July 3-7, 2023, Irkutsk, Russia. Irkutsk: ISDCT Publisher, 2023. p. 66-69 (год публикации - 2023)

13. Толстихин А.А. Bio-inspired multi-purpose approach to the sampling problem Computation (год публикации - 2023)

14. Косов А.А., Семенов Э.И. О точных решениях многомерной системы эллиптических уравнений со степенными нелинейностями Дифференциальные уравнения, Т. 59. № 12. С. 1619-1640. (год публикации - 2023)
10.31857/S037406412312004X

Публикации

13. Толстихин А.А. Bio-inspired multi-purpose approach to the sampling problem Computation (год публикации - 2023)