Разработка методов поиска скоплений промысловых рыб с помощью беспилотных летательных аппаратов

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 24-61-00025

НазваниеРазработка методов поиска скоплений промысловых рыб с помощью беспилотных летательных аппаратов

Руководитель Шамаев Алексей Станиславович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук , г Москва

Конкурс №93 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты)

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-318 - Движение тел в космическом пространстве, жидких и газовых средах

Ключевые слова беспилотный летательный аппарат, дистанционное зондирование океана, деформация ветрового волнения, подводные течения, флуктуации радиоизлучения, аэрофотосъемка, асимптотические методы дифракции волн, лидар, автоматическая посадка, рыбный промысел

Код ГРНТИ30.17.02

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен разработке методов и алгоритмов поиска косяков промысловых рыб с помощью приборов дистанционного зондирования в радиолокационном, радиометрическом и оптическом диапазонах, расположенных на беспилотных летательных аппаратах. При этом предполагается осуществить сравнительный анализ возможностей обнаружения скоплений рыб с помощью зондирующих аппаратов различного типа методом математического моделирования процессов зондирования для различных диапазонов волн и различных схем зондирования. Предполагается также провести моделирование течений, вызванных подводным движением объекта и соответствующих искажений поверхности океана. Такое моделирование должно быть осуществлено с учетом возможностей современных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), которые действуют согласованно в группе и с учетом предыдущего большого опыта поиска косяков рыб методом аэрофотосъемки. Это – новый подход к решению важных проблем дистанционного зондирования океана. Одной из задач проекта является разработка методов, позволяющих значительно упростить применение и эксплуатацию БПЛА с борта морского и внутреннего водного транспорта. В частности, это методы интеллектуального планирования траекторий, в том числе при посадке БПЛА на борт движущегося судна, методы стабилизации БПЛА с учетом используемых модулей полезной нагрузки для поиска косяков промысловых рыб, методы группового управления. Реализовать на практике предложенные методы можно только с применением междисциплинарного подхода, поскольку цели и задачи проекта требуют данных из нескольких несвязанных областей, а специалисты только из одной области не обладают всеми необходимыми компетенциями. Очевидно значение реализации проекта для рыбной отрасли, потребность получения достоверной информации о движении рыбных скоплений сейчас явно присутствует среди специалистов по рыбному лову. В то же время предполагаемые результаты проекта имеют гораздо более широкий круг применений – экология морских акваторий, проблемы безопасности и пр.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проведен анализ опыта промысловой рыборазведки, исследован опыт работ экспедиций на промысле пелагических рыб в СЗТО. Подтверждена актуальность применения беспилотных авиационных систем для поиска косяков промысловых рыб. Выработаны сценарии применения беспилотных летательных аппаратов для для осуществления промысловой рыборазведки. Определены сайра и сардины-иваси как вид пелагических рыб, имеющие важное промысловое значение для обеспечения продовольственной безопасности России в ближайшем будущем. Были разработаны теоретические принципы и написан программный комплекс для моделирования деформаций поверхностных ветровых волн на море под действием вышедших из течением, вызванным движением большого количества однотипных объектов (косяков рыб). Определены технические требования к перспективному БПЛА для поиска косяков промысловых рыб. Предложена конструкция и параметры морского БПЛА для поиска косяков промысловых рыб при осуществлении лова рядом с береговой линией. Изучены перспективные бортовые информационно-сенсорные компоненты, допустимые к применению для обнаружения косяков промысловых рыб с помощью БПЛА. Предложен метод синтеза нелинейной системы управления пространственным движением морского БПЛА для квадракоптерных режимов на взлете и посадке. Разработана встраиваемая ИУС для точной посадки БПЛА на движущееся рыболовное судно. Предложена структура навигационной системы морского БПЛА для применения с рыболовецких судов. Осуществлена экспедиция в район промысла сардины-иваси (Сахалинская область, Южно-Курильский район, о. Шикотан, о. Кунашир). Суммарно консорциумом опубликовано 10 работ в ведущих рецензируемых научных изданиях. Сделано 14 докладов на научных конференциях.

Публикации

1. Цхай Ж.Р, Филатов В.Н. Spatial and Temporal Variations in Thermal Conditions during the Saury Fishery in the North-West Pacific Based on Satellite Data Proceedings of the International Conference оп Ocean Studies 2024 (год публикации - 2024)

2. Бельченко Ф.М, Ермолов И.Л., Нагайцев Г.Н., Остриков П.В., Суханов А.Н. Comparison of UAVs’ Trajectories for Sea Surface Survey within Fish Search Proceedings of the International Conference on Ocean Studies 2024 (год публикации - 2024)

3. Горин В.А., Губанков А.С., Юхимец Д.А. Development of an information-control system for precision landing of unmanned aerial vehicle on movable platform IEEE, Gorin V.A., Gubankov A.S., Yukhimets D.A. Development of an information-control system for precision landing of unmanned aerial vehicle on movable platform // Proc. of the IEEE International Russian Automation Conference (RusAutoCon), Russia, Sochi. - 2024. -P. 663-668. (год публикации - 2024)
10.1109/RusAutoCon61949.2024.10694649

4. Князьков Д.Ю. Моделирование влияния неоднородности стратификации на поле внутренних волн в океане Морские интеллектуальные технологии, № 4(1). 2024. (год публикации - 2024)

5. Князьков Д.Ю., Шамаев А.С. Математические методы моделирования аномалий ветровых волн на поверхности океана Прикладная математика и механика, Т. 88, вып. 4. 2024. C. 567–582 (год публикации - 2024)
10.31857/S0032823524040055

6. Князьков Д.Ю., Шамаев А.С. Simulation of the Propagation of Internal Gravitational Waves in a Stratified Fluid AIP Conference Proceedings (год публикации - 2025)

7. Горин В.А., Губанков А.С., Юхимец Д.А. Подход к построению информационно-управляющей системы для посадки беспилотного воздушного судна Морские интеллектуальные технологии, Горин В.А., Губанков А.С., Юхимец Д.А. Подход к построению информационно-управляющей системы для посадки беспилотного воздушного судна // Морские интеллектуальные технологии. – 2024. – № 4 часть 1. (год публикации - 2024)

8. Князьков Д.Ю. Моделирование поля скорости течения на свободной поверхности стратифицированной жидкости Прикладная математика и механика, Т. 88, вып.5. 2024. (год публикации - 2024)

9. Байдулов В.Г., Князьков Д.В. Некоторые способы решения обратной задачи движения тела в жидкости Изв. РАН Механика твердого тела (год публикации - 2025)

10. Байдулов В.Г. О скоростях распространения волн в средах, описываемых моделью Гуртина–Пипкина М.: ООО «ИСПО-принт», Сборник материалов 15-й международной конференции – школы молодых ученых «Волны и вихри в сложных средах», Москва, 19 – 22 ноября 2024. М.: ООО «ИСПО-принт», 2024. 273 с. С. 22–23. ISBN 978-5-91741-292-4 (год публикации - 2024)

11. Нагайцев Г.Н., Ермолов И.Л., Бельченко Ф.М., Остриков П.П., Суханов А.Н. Методы преодоления помех при съёмке водной поверхности при помощи БПЛА СБОРНИК ТЕЗИСОВ 36-й Международной научно-технической конференции «ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА», страницы 98 - 100 (год публикации - 2025)

12. Юхимец Д.А., Губанков А.С., Горин В.А. Разработка метода синтеза нелинейной системы управления пространственным движением беспилотного летательного аппарата Материалы XVI Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Робототехника и искусственный интеллект», Юхимец Д.А., Губанков А.С., Горин В.А. Разработка метода синтеза нелинейной системы управления пространственным движением беспилотного летательного аппарата // Материалы XVI Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Робототехника и искусственный интеллект». Железногорск, Россия. – 2024. (год публикации - 2024)

13. Горин В.А., Губанков А.С Method of identification of mathematical model of unmanned aerial vehicle thrusters 2025 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), Сочи (год публикации - 2025)
10.1109/RusAutoCon65989.2025.11177273

14. Бельченко Ф.М., Ермолов И.Л., Нагайцев Г.Н., Остриков П.П., Суханов А.Н. Visual Surveillance Methods for Fishery School Search by UAVs Proceedings of in the International Conference on Ocean Studies 2025 (год публикации - 2025)
10.37220/MIT.2025.70.4.044

15. Бельченко Ф.М., Ермолов И.Л., Нагайцев Г.Н., Суханов А.Н., Остриков П.П. Алгоритм надводной съёмки для поиска промысловых рыб XVIII Всероссийская мультиконференция по проблемам управления (МКПУ–2025) : материалы мультиконференции (Тула, 15 сентября – 20 сентября 2025 г.) : в 4 т. Т. 1 Робототехника и мехатроника (РиМ – 2025), T 1 (год публикации - 2025)

16. Бельченко Ф.М., Ермолов И.Л., Остриков П.П., Суханов А.Н. Повышение качества воздушной съёмки морской поверхности при поиске промысловых рыб методом эквализации гистограмм Морские интеллектуальные технологии , №4, часть 1, 174с. - 179с. (год публикации - 2025)
10.37220/MIT.2025.70.4.044

17. Юхимец Д.А., Губанков А.С Synthesis method for UAV automatic landing system on a marine moving platform using UWB technology International Conference of Interactive Collaborative Robotics (год публикации - 2025)

18. Бельченко Ф.М., Ермолов И.Л., Нагайцев Г.Н., Новиков Е.В., Остриков П.П., Суханов А.Н. Алгоритмы улучшения визуального поиска промысловых рыб с БПЛА «ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА», международная научно-техническая конференция. Сборник тезисов 36-й Международной научно-технической конференции (год публикации - 2025)

19. Бельченко Ф.М., Ермолов И.Л., Нагайцев Г.Н., Остриков П.П. Применение БПЛА для поиска промысловых рыб Перспективные системы и задачи управления: сборник трудов XX Юбилейной Всероссийской научно-практической конференции и XVI молодежной школы-семинара «Управление и обработка информации в технических системах» (п. Домбай, Карачаево-Черкесская Республика, 7–11 апреля 2025 г.). (год публикации - 2025)

20. Князьков Д.Ю. Эффективное описание движения в жидкости стаи промысловых рыб Морские интеллектуальные технологии, № 4 часть 1, С. 352–359. 2025. (год публикации - 2025)
10.37220/MIT.2025.70.4.064

21. Князьков Д.Ю. Моделирование движения стаи рыб в однородно стратифицированной жидкости Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия Математическое моделирование и программирование (год публикации - 2025)

22. Цхай Ж.Р., Филатов В.Н. Interannual Dynamics of Thermal Conditions in the Kuril Islands Region And Changes in Sardine And Saury Aggregation Site Formation Proceedings of ICOS IEEE Conference/ (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В текущем году участники проекта совместно с организациями-партнёрами продолжили работу на тематике разработки методов поиска скоплений промысловых рыб с помощью беспилотных летательных аппаратов. В частности, были проведены следующие работы: 1.Разработан алгоритм расчета дифракции электромагнитных волн на морской поверхности с учетом характеристик реального спектра поверхности моря, который содержит как короткие (сантиметры и даже миллиметры ) волны, так и длинные (сотни метров) морские волны. 2. Разработан алгоритм расчета собственного радиоизлучения для одномерной периодической поверхности. Он основан на т.н. "методе взаимности", который состоит в расчете мощности собственного радиоизлучения морской поверхности в данном направлении как величины, пропорциональной доле поглощенной мощности плоской когерентной волны, падающей на поверхность в том же направлении. 3.Разработаны алгоритмы и отлажены программы расчета гидродинамических полей, возникающих при движении (по детерминированным и случайным законам) в толще стратифицированной жидкости группы однотипных объектов. При этом разработан алгоритм и отлажена соответствующая программа расчета поля течений, возникающего в результате движения в стратифицированной жидкости группы однотипных объектов, которые движутся как прямолинейно, так и осуществляют поворот в процессе движения. Исследована зависимость указанных гидродинамических полей от глубины погружения группы, скорости движения, расстояния от объекта до ближайшего соседа и других параметров. Принята к печати статья в журнале "Программирование и математическое моделирование". 4. Установлены условия, при выполнении которых можно с приемлемой точностью заменить движущуюся группу однотипных объектов на движение одного "эффективного объекта", который создает близкое гидродинамическое поле. 5. Разработаны методы спектрального анализа деформаций поверхности моря при наличии и отсутствии ветрового волнении, вызванных группами движущихся погруженных тел. Выявлены спектральные признаки свободной поверхности моря, характерные для наличия движущейся в толще воды группы однотипных объектов. 6. При разработке алгоритмов поиска косяков промысловых рыб были рассмотрены два подхода. Первым подходом является, в продолжение части анализа возмущения поверхностных волн океана для детекции косяков промысловых рыб, построение карты относительных высот морских волн по изображением с камер видимого спектра. Вторым подходом является поиск косяков промысловых рыб непосредственно на изображениях, как задача выделения неоднородных и отличающихся от фона по цвету и яркости областей на изображении при наличии помех. Под фоном здесь понимается поверхность воды, а под помехами возмущения поверхности воды, вызванные волнами, световыми бликами и замутнённостью воды. 7. В рамках выполнения экспедиции на о. Шикотан (июль, 2025) проводились следующие исследования: проводился ряд испытаний с возможностью надводной съёмки с беспилотных летательных аппаратов. Были оценены результаты работы нескольких алгоритмов обработки фото- и видеоизображений, применение которых в комплексе сможет снизить негативное влияние вышеназванных эффектов на обнаружение искомых объектов и, тем самым, повысить эффективность промышленной рыборазведки в зоне поиска. В рамках работы были определены следующие ключевые характеристики промысловых объектов, которые можно определить с помощью оптических средств разведки: 1. Координаты границ скопления рыб; 2. Координаты зон наибольшего скопления рыб; 3. Направление движения зоны наибольшего скопления рыб; 4. Глубина зоны наибольшего скопления; 5. Размерный и видовой состав улова (ассортимент) в различных участках скопления. Организации-партёры: МГУ им. Адм. Г.И. Невельского, г. Владивосток, Приморский край 1. В текущем отчётном периоде работы были направлены на разработку метода стабилизации летательных аппаратов с учетом типа и параметров приборов, с помощью которых осуществляется зондирование морской поверхности, а также оценку влияния внешних возмущений и траектории полета на достоверность получаемой информации о поверхности. 2. Выполнен аналитический обзор основных существующих типов БПЛА и приборов, которые могут применяться для решения задач зондирования морской поверхности. Также предложен метод идентификации параметров движителей БПЛА, которые в большинстве случаев являются неизвестными, необходимый для обеспечения точной работы системы управления БПЛА и, в частности, повышения качества стабилизации при использовании различной полезной нагрузки. 3. В рамках экспедиции выполнены полеты БПЛА самолетного типа. При полетах проводились испытания бортов, а также производилась визуальная съемка морской поверхности при воздействии внешних возмущений. Кроме того, предлагается метод реализации системы автоматической посадки БПЛА на движущуюся морскую платформу (МП), обеспечивающий независимость посадки от условий видимости. СахНИИРО, Сахалинская область 1. Определены особенности перемещения косяков сардины и условия формирования скоплений. Для определения условий формирования и особенностей перемещения скоплений сардины был проведен анализ данных, полученных в период проведения краткопериодных (3–5 суток) судовых съемок по схеме станций «Полигон». 2. Оценены особенности сезонного распределения скоплений и эффективности промысла сардины в исключительной экономической зоне Российской Федерации в 2025 г. Были проанализированы данные по результатам промысла российских судов в 2025 г., а также иностранных судов, работающих в исключительной экономической зоне (ИЭЗ) РФ. 3. Оценены возможные изменения мест формирования скоплений косяков сардины и сайры в результате климатических изменений. В ходе исследований были построены карты пространственных распределений ТПО и их аномалий. 4. Определить размеры участков зондирования морской поверхности, времени зондирования, оптимальные для обнаружения с помощью беспилотных летательных аппаратов. 5. Разработан сценарий проведения эксперимента по применению беспилотных летательных аппаратов для поиска косяков сардины. Был разработан сценарий применения БПЛА для обнаружения косяков промысловых рыб и проведения эксперимента для поиска отдельных косяков и скоплений косяков сардины. 6. Осуществлен выезд в район рыбного промысла о. Шикотан (Курильские острова) для проведения эксперимента по применению беспилотных летательных аппаратов для поиска косяков сардины в период путины. Суммарно опубликовано 12 материалов, сделано 12 докладов на конференциях, зарегистрировано 5 программ для ЭВМ.

Публикации