Грант РНФ № 17-71-10163 https://www.rscf.ru/project/17-71-10163/
Название: Разработка методов и моделей интеллектуально-геометрического управления автономными летательными аппаратами в условиях возмущенной воздушной среды
Руководитель проекта: Хачумов Михаил Вячеславович
Организация финансирования: Федеральный исследовательский центр «Информатика и управление» Российской академии наук
Срок выполнения при поддержке РНФ: 07.2017 — 06.2019
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.
Созданы теоретические основы и решён ряд актуальных задач в рамках нового направления — интеллектуально-геометрического управления траекторным движением беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и их коалиций в возмущённой среде с оптимизацией по точности и быстродействию. В том числе выполнены постановки теоретико-игровых задач для БПЛА в условиях ограничений по времени и точности выполнения миссий, предложены методы их решения в условиях действующих возмущений и установленных ограничений на управление. В перечне решённых задач: движение группы БПЛА по заданному маршруту; облёты заданных пунктов; преследование динамической цели и её сопровождение группой летательных аппаратов; формирование строя на принципах равномерного распределения объектов в шаре; безопасный переход группы летательных аппаратов из одной заданной формации в другую при минимизации временных и прочих затрат; оптимизация распределения и безопасное движение БПЛА к целевым расположениям с применением сетевой модели. Во всех случаях применяются интеллектуальные методы, имитирующие действия человека-оператора, реализуемые базовой системой стратегий и продукционных правил поведения игроков на стратегическом и тактическом уровнях управления. Разработан алгоритм планирования локально-оптимальных маршрутов целенаправленного полёта автономного летательного аппарата в условиях неопределенности и наличия препятствий. Существенное продвижение достигнуто в решении задач геометрического расчета и прогнозирования траекторий движения летательных аппаратов, в том числе с применением полиномов Колмогорова-Габора и искусственных нейронных сетей. Выполнено имитационное моделирование решения основных траекторных задач для групп БПЛА в возмущённой среде. Полученные результаты опубликованы в научных журналах и трудах конференций, в том числе, индексируемых в международных базах данных (Web of Science Core Collection или Scopus).
1. 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).
2. 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).
3. 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).
4. 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).
5. 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).
Предложена концепция комплексной интеллектуализации стратегического и тактического уровней иерархической системы управления БПЛА. Дана постановка и предложено решение задачи безопасного формирования заданного строя группой случайно расположенных летательных аппаратов с учётом их геометрических моделей и контролем расстояний между ними. Решение задачи разбивается на три этапа: 1) формирование структуры заданного строя; 2) планирование безопасного маршрута движения БПЛА к своим позициям с учётом затрат на перемещение и геометрических моделей аппаратов; 3) отработка траекторного движения с использованием математических моделей БПЛА в условиях ветровых возмущений.
Разработан алгоритм решения задачи планирования движения БПЛА к позициям строя, схемой которого является поиск опорного плана решения с его дальнейшим последовательным улучшением путём применения набора специальных правил. В качестве альтернативного варианта решения предлагается вычислительная схема на основе сети Кохонена. Выполнено исследование сетевой модели на модельных примерах и проведено имитационное моделирование решения задачи в системе MATLAB Simulink. Разработан расширенный набор правил, который позволяет корректировать траектории движения летательных аппаратов как на этапе их планирования, так и на этапе отработки. Предложенные правила обеспечивает безопасность движения БПЛА в группе, в том числе при решении задачи формирования заданного строя. Рассмотрено решение задачи оптимизации расположения узлов интерполяции при визуализации и отработке траекторного движения. Предложены специальные алгоритмы, предназначенные для рационального воспроизведения (генерации) эллипсов, парабол и гипербол, и позволяющие определённым образом расставлять опорные точки на кривой. Предложена модель представления и обработки процедурных знаний, которая обеспечивает БПЛА возможность автоматического планирования целенаправленной деятельности в недоопределенных средах с полиноминальной сложностью.
Разработан способ пополнения знаний беспилотного летательного аппарата, основанный на нечётком выводе правдоподобных умозаключений, позволяющий получить недостающие сведения об объектах проблемной среды. Организован вывод правдоподобных умозаключений с необходимой для принятия решений степенью истинности. Разработаны инструментальные средства самоорганизации, включающие знакосигнальный принцип целесообразного поведения, автоматическое целеполагание и централизовано-автономное управление целенаправленной деятельностью коллектива беспилотных летательных аппаратов. Предложено решение актуальной задачи организации обработки потоков информации и управления в бортовых ЭВМ с ограниченными вычислительными ресурсами для поддержки режима автономного функционирования. Предложена техника преобразования итерационного представления алгоритмов CORDIC в поразрядное, что открывает путь к параллельным вычислениям в специализированных устройствах на основе многовходовых сумматоров. Предложены модели периодической обработки цифровой информации с совмещением циклов на основе функционально-ориентированных процессорных элементов. Рассмотрены вопросы оптимизации закрепления исполнительных блоков за фазами периодического алгоритма обработки информации. Дана оценка сложности алгоритмов построения расписаний и сокращения размерности задачи. Разработка и использование теоретических основ оптимизации периодических процессов с учётом ограничений в целом позволит существенно расширить допустимые диапазоны применяемых исполнительных ресурсов, т. е. обеспечить технологическую гибкость.
Предложена архитектура программно-аппаратного комплекса разработанных алгоритмов для его реализации с регулируемой точностью и скоростью в условиях ограничений. Модули системы содержат как последовательную, так и параллельную внутреннюю организацию. Разработана программная часть БВК — специализированное программное обеспечение (СПО), обрабатывающее и интерпретирующее данные, собранные аппаратной частью. СПО отвечает требованиям модульности, гибкости и расширяемости. Архитектура предоставляет пользователю возможность формирования различных стратегий обработки данных на БВК.
Выполнены экспериментальные исследования рассмотренных траекторных задач БПЛА с помощью программного обеспечения MATLAB и системы Simulink, включая моделирование решения следующих задач: движение по заданному маршруту (представленному параболой), облёт заданных пунктов, траекторное движения в среде с препятствиями, формирование заданного строя, задачи следования за целью (преследования-убегания). Эксперименты выполнены с использованием разработанных в рамках настоящего проекта методов планирования поведения и интеллектуального управления БПЛА; математических моделей летательных аппаратов и ветровых нагрузок. Заложенные в систему стратегии и правила позволяют БПЛА быстро реагировать на изменения динамической среды и успешно справляться с поставленными целевыми задачами. Моделирование показало, что предложенные методы и алгоритмы интеллектуально-геометрического управления БПЛА в недетерминированной среде позволяют добиться безопасного движения аппаратов с хорошим качеством отработки заданий. Даны рекомендации по внедрению разработанного программного и алгоритмического обеспечения в бортовые системы БПЛА. По результатам второго года исследований опубликованы пять научных работ, из них 3 — в изданиях, индексируемых в международных базах данных, и 2 — в изданиях, учитываемых РИНЦ.
1. Мелехин В. Б., Хачумов М. В. Пополнение знаний автономного беспилотного квадрокоптера — манипулятора в недоопределённой проблемной среде // Искусственный интеллект и принятие решений, №1, c. 39-48 (год публикации — 2019).
2. Мелехин В. Б., Хачумов М. В. Инструментальные средства самоорганизации коллектива автономных беспилотных летательных аппаратов в условиях неопределённости // Авиакосмическое приборостроение, №.2, c. 44-51 (год публикации — 2019).
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. 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).
6. Хачумов М. В. Методы обработки слабоструктурированной информации и интеллектуально-геометрического управления беспилотными летательными аппаратами // Издательство URSS, Москва, 198 с. (год публикации — 2019).