АППАРАТНО-АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПЕРСПЕКТИВНОЙ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ АВТОНОМНОЙ ГРУППЫ БПЛА

  • М.Ю. Медведев Южный федеральный университет
  • В.А. Костюков Южный федеральный университет
  • М.Ю. Бутенко НИИ РиПУ
  • В.Г. Гисцов НИИ РиПУ
  • И.Д. Евдокимов НИИ РиПУ
Ключевые слова: БпЛА, станция зарядки, гибридная система подзарядки, энергетическая эффективность функционирования, алгоритм целераспределения, оптимизация, Unity

Аннотация

В связи с ускоренным ростом объемов использования групп автономно функционирующих
беспилотных летательных аппаратов (БпЛА) в различных средах решение проблемы оптими-
зации функционирования групп таких аппаратов по критерию минимума затрачиваемой энер-
гии является актуальной научной задачей. В настоящей статье развивается новый подход
обеспечения энергосбережения группы беспилотных летательных аппаратов (БпЛА) за счет
использования станций подзарядки БпЛА, обеспечивающих необходимую универсальность в
обслуживании разных типов аппаратов. Рассматриваются наиболее эффективные варианты
систем приземления, точного позиционирования, выработки энергии на станции, а также
обосновывается гибридная система обеспечения подзарядки, сочетающая контактный и бес-
контактный способы. Приводится обобщенная схема многоэтапного взаимодействия БпЛА со
станцией подзарядки, предусматривающая возможность повторения одного из этапов в случае
не полного его завершения в течение определенных интервалов времени, а также учитывающая
особенности взаимодействия между агентами по доступным им каналам связи. Поставлена и
решена задача оптимального распределения по энергетическому критерию БпЛА группы меж-
ду пунктами назначения (ПН), совмещенными со станциями подзарядки (СП). Учитывается
как крейсерский режим, так и маневрирование аппарата при взлете и посадке, когда мощность
расходования энергии возрастает. Введено понятие эффективного расстояния до пункта на-
значения, учитывающего оценочные затраты энергии каждого БпЛА на достижение данного
ПН с учетом его произвольного текущего положения и имеющейся очереди заданий на данный
момент. Для исследования разработанных подходов и алгоритмов целераспределения и плани-
рования движения БпЛА группы создано и апробировано программное обеспечение на базе сре-
ды Unity. Гибкость последнего позволяет моделировать различные алгоритмы информацион-
ных взаимодействий элементов внутри группы БпЛА, группы СП, а также перекрестных взаи-
модействий между БпЛА и СП. В частности, Программное обеспечение позволяет определять
в каждый дискретный момент степень заряда каждого БпЛА, очереди ПН для каждого БпЛА,
его историю пополнения заряда на станциях.

Литература

1. Kosova A.E., Korikov A.M. Avtomaticheskaya posadka malykh bespilotnykh letatel'nykh
apparatov s ispol'zovaniem komp'yuternogo zreniya [Automatic landing of small unmanned
aerial vehicles using computer vision], Doklady TUSUR [Proceedings of TUSUR University],
Issue No. 3, Vol. 20, pp. 191-196.
2. Ngo K.T., Nguen V.V., KHar'kov I.Yu., Usina E.E., SHumskaya O.O. Funktsional'naya model'
vzaimodeystviya BLA s nazemnoy robotizirovannoy platformoy pri reshenii sel'skokhozyaystvennykh
zadach [A functional model of UAV interaction with a ground-based robotic
platform in solving agricultural problems], Izvestiya Kabardino-Balkarskogo nauchnogo
tsentra RAN [Izvestiya Kabardino–Balkarian Scientific Center of the Russian Academy of Sciences],
2018, Issue 6-3, pp. 41-50.
3. Musa Galimov, Roman Fedorenko, and Alexander Klimchik. UAV Positioning Mechanisms in
Landing Stations: Classification and Engineering Design Review. Available at:
https://www.researchgate.net/publication/342538741_UAV_Positioning_Mechanisms_in_Lan
ding_Stations_Classification_and_Engineering_Design_Review.
4. Gabdullin Aydar Rinatovich, Galimov Musa Muzagitovich, Klimchik Aleksandr Sergeevich.
Posadochnaya platforma dlya bespilotnogo letatel'nogo apparata [Landing platform for unmanned
aerial vehicle]. Patent No. RU 2710887 C1, 2020.
5. Gabdullin Aydar Rinatovich, Galimov Musa Muzagitovich, Klimchik Aleksandr Sergeevich.
Posadochnaya platforma dlya BpLA vertikal'nogo vzleta i posadki [Landing platform for vertical
take-off and landing UAVs], Patent RU 2722249 C1, 2020.
6. HEISHA DNEST2, Heisha Technology. 23.03.2022. Available at: https://www.heishatech.com/
solutions/dnest-hardware-for-drone-in-a-box-solution/ (accessed 23 March 2022).
7. Patent US9387928B1 «MULTI-USE UAV DOCKING STATION SYSTEMIS AND
METHODS». Jul. 12, 2016.
8. Patent US 9,139,310 B1 «SYSTEMS AND METHODS FOR UAV BATTARY
EXCHANGE». Sep. 22, 2015.
9. Patent WO 2016/113766 «Al ELECTRICALLY CHARGING SYSTEM FOR DRONES». 7
January 2016 (07.01 .2016).
10. Fetisov V.S., Akhmerov Sh.R., Sizonenko R.V. Intellektual'naya kommutatsiya bortovykh
posadochnykh elektrodov BpLA s otkrytymi kontaktnymi ploshchadkami zyaryadnoy
platformy [Intelligent switching of on-board landing electrodes of a UAV with open contact
pads of a vertical platform], Vtoroy Vserossiyskiy nauchno-prakticheskiy seminar «Bespilotnye
transportnye sredstva s elementami iskusstvennogo intellekta» [The second All-Russian scientific
and practical seminar "Unmanned transport vehicles with elements of artificial intelligence"],
2015, pp. 115-122.
11. Shirokov I.B., Shirokova E.I., Azarov Andrey Andreevich. Sistema besprovodnoy peredachi
energii [Wireless energy transmission system], Infokommunikatsionnye i radioelektronnye
tekhnologii [Infocommunication and radioelectronic technologies], 2019, Vol.. 2, No. 3,
pp. 380-389.
12. Kostyukov V.A., Medvedev M.Yu., Pavlenko D.D., Mayevsky A.M., Poluyanovich N.K. Investigation
of a rotor speed controlling of a promising wind-driven power plant using several variable
elements of its geometry, Mekhatronika, avtomatizatsiya, upravlenie [Mechatronics, automation,
control], 2020, Vol. 21, No. 10, pp. 599-608. DOI: 10.17587/mau.21.599-608.
13. Gorelov D.N. Energeticheskie kharakteristiki rotora Dar'e (obzor) [Energy characteristics of
the Darye rotor (review)], Teplofizika i aeromekhanika [Thermophysics and aeromechanics],
2010, Vol. 17, No. 3, pp. 325-333.
14. Mikhnenkov L.V. Vetroenergeticheskaya ustanovka planetarnogo tipa [Wind power plant of
planetary type], Nauchnyy vestnik MGTU [Scientific Bulletin of MSTU], 2008, No. 125,
pp. 22-24.
15. Ying P., Chen Y.K., Xu Y.G, Tian Y. Computational and experimental investigations of an omni-
flow wind turbine, Applied Energy, Vol. 146, pp. 74-83.
16. Wenyi Liu. Design and kinetic analysis of wind turbine blade-hub-tower coupled system, Renewable
Energy, August 2016, Vol. 94, pp. 547-557.
17. Vikas Hassija, Vinay Chamola, Dara Nanda Gopala Krishna and Mohsen Guizani. A Distributed
Framework for Energy Trading Between UAVs and Charging Stations for Critical Applications
», Fellow IEEE, 2020.
18. Li Li, Jie Wu,Yixiang Xu, Jun Che, Jin Liang. Energy-controlled Optimiza-tion Algorithm for
Rechargeable Unmanned Aerial Vehicle Network, 2017 12th IEEE Conference on Industrial
Electronics and Applications (ICIEA), 2017, Vol. 43, pp. 1337-1342.
19. Kostyukov V.A., Pshikhopov V.Kh. The system of decentralized control of a group of mobile
robotic means interacting with charging stations, Sb. trudov "Frontiers in Robotics and
Electromechanics" [Collection of works "Frontiers in Robotics and Electromechanics"]. Izd-vo
Springer, 2022 (accepted for publication).
20. Narayanan Ragkhu (Raghu Nurayanan). Vybor katushek dlya besprovodnykh zaryadnykh
ustroystv [Selection of coils for wireless chargers], Komponenty i tekhnologii [Components
and technologies], 2015, No. 9.
Опубликован
2022-12-27
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ IV. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ И ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ