ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМЫ СТАНЦИЙ ПОДЗАРЯДКИ ДЛЯ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ГРУППЫ БПЛА МУЛЬТИКОПТЕРНОГО ТИПА
Аннотация
В связи с ускоренным ростом объемов использования групп автономно функциони-
рующих беспилотных летательных аппаратов (БпЛА) в различных средах решение пробле-
мы оптимизации функционирования групп таких аппаратов по критерию минимума за-
трачиваемой энергии является актуальной научной задачей. В настоящей статье развива-
ется новый подход обеспечения энергосбережения группы беспилотных летательных ап-
паратов (БпЛА) за счет использования распределенной системы модулей подзарядки БпЛА,
обеспечивающих необходимую универсальность в обслуживании разных типов аппаратов.
Предполагается, что модули подзарядки установлены на подмножестве станций обслу-
живания, между которыми курсируют БпЛА мультикоптерного типа, выполняя миссию
по развозу грузов. Необходимо определить такие число и непосредственно указанное под-
множество станций обслуживания, снабженных такими модулями, которые бы достав-
ляли оптимум некоторого функционала качества, характеризующего функционирование
группы БпЛА. В статье предлагается в качестве такого функционала отношение числа
БпЛА, успешно отработавших выданные им задания по развозу грузов, к числу станций с
модулями подзарядки. Модель движения БпЛА между пунктами назначения предполагает
учет не только крейсерского режима, но и маневрирования аппарата при взлете и посадке;
также учитывается зависимость скорости расходования энергии от текущих кинемати-
ческих величин аппарата. Предусмотрено падение аппарата в случае расходования им
энергии ниже предельного порогового значения. Разработана упрощенная модель станции
обслуживания с модулем подзарядки (МП), подразумевающим замену разряженных аккуму-
ляторных батарей. Учтен режим ожидания БпЛА в очереди. Для исследования разрабо-
танных алгоритмов планирования движения и выбора оптимального распределения моду-
лей подзарядки по станциям обслуживания создано и апробировано программное обеспече-
ние на базе среды Unity. Гибкость последнего позволяет моделировать различные алго-
ритмы информационных взаимодействий элементов внутри группы БпЛА, группы МП,
а также перекрестных взаимодействий между БпЛА и МП.
Литература
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_ Landing_
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., Butenko M.Yu., Gistsov V.G., Evdokimov I.D. Apparatnoalgoritmicheskoe
obespechenie perspektivnoy sistemy energosberezheniya avtonomnoy
gruppy BpLA [Hardware and algorithmic support for a promising energy saving system for an
autonomous group of UAVs], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering
Sciences], 2022, No. 5, pp. 230-243.
13. 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.
14. 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.
15. 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).
16. 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.
17. Fetisov V.S., Novikova K.O., Ovchinnikov A.V. Podzaryadka bespilotnykh letatel'nykh
apparatov s vertikal'nym vzletom-posadkoy na kontaktnykh platformakh s adaptiruemoy
shirinoy kontaktnykh polos [Recharging unmanned aircraft vehicles with vertical take-off and
landing on contact platforms with adaptable contact band width], Elektrotekhnicheskie i
informatsionnye kompleksy i sistemy [Electrical and information complexes and systems],
2023, Vol. 19, No. 2, pp. 80-89. ISSN 1999-5458 (print).
18. Semenov A.G. Stantsiya avtomaticheskoy zameny akkumulyatorov dlya bespilotnykh
letatel'nykh apparatov (BPLA) i sposob ee ispol'zovaniya [Automatic battery replacement station
for unmanned aerial vehicles (UAVs) and method of its use]. Patent RU 2018129276,
09.08.2018.
19. Venttsel' E.S. Teoriya veroyatnostey [Probability theory]. Moscow: Izd-vo «Nauka», 1969,
576 p.
20. Stentz A. Optimal and efficient path planning for partially known environments, In Intelligent
Unmanned Ground Vehicles. Springer, Boston, MA, USA, 1997, pp. 203-220.
