Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На первом этапе проекта предложен метод построения локальной навигационной системы, работающей внутри рабочей зоны (группы), на основе сети Bluetooth-маяков, реализованных на базе микроконтроллеров ESP-32. Предложенный подход имеет следующие преимущества. - Простота развёртывания – система не требует сложной инфраструктуры для применения и может быть адаптирована под необходимые условия работы. - Доступность и дешевизна – микроконтроллер ESP-32, применяемый на первом этапе, имеет низкую стоимость и прост в использовании. - Низкое энергопотребление – протокол BLE потребляет минимальное количество энергии, что позволяет использовать предложенное решение в автономных системах. - Масштабируемость – система может быть расширена путём добавления дополнительных маячков (членов группы) для покрытия большей области. Для повышения точности работы предложенной системы на основе экспериментальных данных с помощью нейронной сети была разработана и идентифицирована модель, описывающая зависимости уровня сигнала (RSSI - received signal strength indicator) от положения аппарата относительно передатчика. Полученная модель используется в методе Левенберга - Маркгвардта для оптимальной оценки положения аппарата на основе измеренного и аппроксимированного значений RSSI внутри рабочей зоны (группы). Разработана модель комплексирования данных, которая на основе информации о текущей мощности сигналов, передаваемых по сети передачи данных, оценивает координаты аппарата и комбинирует их с данными, полученными от бортовых навигационных датчиков. В качестве метода комплексирования данных от бортовых датчиков аппарата и Bluetooth-маяков использовался расширенный фильтр Калмана. В результате, представленный в проекте подход позволяет оптимально скомплексировать данные, поступающие от бортовых датчиков аппарата и измерений на основе Bluetooth-маяков, расположенных на аппаратах группы. Разработан метод автоматического формирования программных скоростей движения автономных беспилотных летательных аппаратов мультироторного типа, выполняющих различные полетные задания (такие как, например, мониторинг морских и прибрежных территорий для отслеживания популяций редких и промысловых видов, оценка потенциальных объемов биологических ресурсов, аэрофотосъемка и т.д.) поодиночке или в составе группы (строя). При этом траектории движения этих летательных аппаратов задаются гладкими пространственными кривыми – параметрическими сплайнами третьего порядка, что позволяет легко их корректировать в процессе выполнения задания. Для поддержания высокой скорости движения аппаратов по траекториям при одновременном сохранении заданной точности перемещения (без нарушения строя) в работе предлагается непосредственно в процессе выполнения миссии корректировать указанную скорость таким образом, чтобы исполнительные устройства всех аппаратов успевали обеспечивать их требуемые перемещения с учетом ограничений на развиваемые движителями векторы тяги. При этом для расчета значений программных скоростей использовалась упрощенная модель динамики квадрокоптера, учитывающая влияние силы ветра, сопротивления среды, силы тяжести и суммарного вектора силы тяги движителей аппарата.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
На втором этапе проекта рассмотрено движение группы БПЛА в режиме «лидер-ведомые». В этом режиме в группе один БПЛА назначается лидером, а остальные БПЛА группы – ведомыми, которые следуют за лидером в заданном строю, сохраняя свое желаемое положение относительно лидера. При этом траекторию движения группы задает лидер, выполняя миссию в автономном режиме или двигаясь под управлением оператора. В процессе движения и маневрирования для сохранения заданного строя БПЛА-ведомые должны иметь информацию о своем текущем положении относительно БПЛА-лидера. При этом считается, что информация о положении каждого БПЛА группы в абсолютной системе координат (АСК) является недоступной. Желаемое положение ведомого задается в системе координат, связанной с лидером, где ось x совпадает с продольной осью БПЛА, а ось z параллельна вертикальной оси АСК. Это позволяет сохранять без искажений заданное построение ведомых при различных маневрах лидера. Cчитается, что каждый БПЛА имеет набор бортовых датчиков, который позволяет ему измерять углы ориентации, угловые скорости, высоту и линейные скорости в системе координат, связанной с этим БПЛА. Предполагается, что на лидере установлен UWB-маяк, а на БПЛА-ведомых установлены UWB-приемники, позволяющие измерять расстояние между лидером и ведомыми, а также передавать им данные о скорости движения, угле курса и высоте лидера. На борту лидера установлен только один маяк, так как из-за малых размеров БПЛА расстояние между маяками будет небольшим, и погрешности измерений расстояний будут слишком сильно влиять на точность определения положения ведомого относительно лидера с помощью традиционных методов трилатерации. Однако использование только одного маяка не позволяет однозначно определить координаты ведомого относительно лидера, что ставит задачу разработки метода локальной навигации БПЛА-ведомого, на основе данных о параметрах движения лидера и ведомого, а также дистанции меду ними. Кроме того, дополнительно возникает задача разработки системы управления ведомого, позволяющей обеспечить поддержание заданного положения БПЛА-ведомого относительно лидера с использованием данных, поступающих от системы локальной навигации. Основная проблема при синтезе навигационной системы является недостаточность одного определения дистанции между БПЛА-лидером и БПЛА-ведомым для локализации положения ведомого относительно лидера. Указанную неоднозначность предполагается разрешать с помощью следующего подхода. Предлагается в процессе движения группы осуществлять дополнительные перемещения ведомого в окрестности его заданного положения в строю относительно лидера. Сопоставляя движения ведомого и измерения дистанции между ведомым и лидером, можно устранить неоднозначность при определении положения ведомого. В результате работ по Проекту для реализации системы группового управления предложен метод локальной навигации, основанный на фильтре частиц, который позволяет оценить положение ведомого относительно лидера. При этом для устранения неопределенности, вызванной измерением только одной дистанции до лидера, было предложено формировать ведомому дополнительные программные сигналы, обеспечивающие его орбитальное движение вокруг желаемого положения. Для построения локальной навигационной системы предлагается использовать радиомаяки с применением технологии UWB (Ultra Wide Bandwidth). На БПЛА устанавливаются четыре радиомаяка, работающих по стандарту UWB в режиме меток (tags). Координаты меток заданы в связанной с БПЛА системе координат (ССК). В рабочей области внутри помещения размещается N радиомаяков в режиме якорей (anchors). Координаты якорей заданы в локальной системе координат (СК), связанной с помещением, и известны БПЛА. В процессе работы системы для каждой j-ой метки определяются расстояния до каждого i-ого якоря. Расчёт положения БПЛА осуществляется в локальной СК. Формируется две системы уравнений. Первая – линейная для расчета положения методом наименьших квадратов, вторая – нелинейная для определения углов ориентации методом наискорейшего спуска с начальными условиями в виде оценки курса, рассчитанного ранее. Представлены результаты моделирования работы предложенной системы навигации при движении БПЛА, подтверждающие работоспособность системы, а также низкие вычислительные требования. Для синтеза системы управления БПЛА-ведомого использована модель его движения в АСК, которая записана в виде одного дифференциального уравнения второго порядка. Для этого продифференцируем второе уравнение и подставим первое уравнение. Желаемые динамические свойства БПЛА-ведомого при движении по линейным координатам в АСК зададим с помощью линейного дифференциального, содержащего диагональные матрицы положительных коэффициентов. Приравняв эти два уравнения получим желаемый вектор управляющих сил и моментов. Следует отметить, что характер желаемых переходных процессов будет определяться выбором матриц положительных коэффициентов. Чем выше будут коэффициенты в первой матрице, тем быстрее будет протекать переходной процесс, при этом для того, чтобы обеспечить отсутствие перерегулирования необходимо задать соотношение между коэффициентами в матрицах. В результате, для точной отработки положения и ориентации БПЛА предложен метод синтезирована нелинейной системы управления, которая обеспечивает учет динамических особенностей БПЛА, и формирование величин программных сигналов углов ориентации, которые могут быть поданы на вход типовых полетных контроллеров. Решена задача автоматического формирования режимов движения группы БПЛА (или в частном случае отдельного БПЛА) самолетного типа по гладкими пространственными траекториям, заданным в виде сплайнов третьего порядка. Для ее решения учтён тип и параметры не только беспилотного аппарата, но и известные параметры окружающей среды, которые в процессе выполнения миссии могут существенно изменяться.