Моделирование траекторий движения группы беспилотных летательных аппаратов на основе алгоритма ADRRT-Connect в задаче расстановки сейсмических датчиков

Моделирование траекторий движения группы беспилотных летательных аппаратов на основе алгоритма ADRRT-Connect в задаче расстановки сейсмических датчиков

Савельев Антон Игоревич
к.т.н., Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук» (СПб ФИЦ РАН), лаборатория автономных робототехнических систем, с.н.с., 199178, Санкт-Петербург, 14-я линия В.О., д. 39, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0003-1851-2699

Аникин Дмитрий Андреевич
СПб ФИЦ РАН, лаборатория автономных робототехнических систем, программист, 199178, Санкт-Петербург, 14-я линия В.О., д. 39, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0009-0007-6998-5687

Агафонов Вадим Михайлович
к.ф.-м.н., доцент, ООО «Р-Сенсорс», генеральный директор, 141700, Московская обл., г. Долгопрудный, ул. Первомайская, д. 7А., Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0003-1943-7504

Ерохин Геннадий Николаевич
д.ф.-м.н., Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта» (БФУ им. И. Канта), 236041, Калининград, ул. А. Невского, д. 14, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0001-7656-9496

Материал поступил в редакцию 9 февраля 2024 года.

Аннотация
Оптимальное планирование маршрутов является ключевым аспектом успешной доставки сейсмических датчиков с использованием беспилотных воздушных судов (БВС) к географически распределенным целям. Оптимальность маршрута зависит от времени, необходимого для планирования маршрута и выполнения полета к цели или группе целей, с учетом обеспечения безопасности движения и учета динамических ограничений. Алгоритм расчета траектории должен всегда находить маршрут, если таковой существует, и в случае невозможности нахождения такового информировать оператора о данном обстоятельстве. В данной статье предлагается метод, обеспечивающий эффективное распределение целей среди участников группы на основе информации о целях и характеристиках используемых беспилотных летательных аппаратов. Метод включает в себя построение оптимальных маршрутов с учетом минимизации длины пути, избегания резких поворотов и петель, а также уклонения от препятствий и предотвращения столкновений с другими беспилотными летательными аппаратами внутри группы. Для апробации предложенного метода разработано программное обеспечение с использованием среды ROS и Gazebo. Предложенный метод представляет собой комплексное решение задачи оптимального планирования маршрутов для БВС для доставки сейсмических датчиков с использованием беспилотных летательных аппаратов.

Ключевые слова
БВС, траектории движения, оптимальное распределение целей, групповое управление, моделирование.

Благодарности
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-69-00231, https://rscf.ru/en/project/22-69-00231/.

DOI
10.31776/RTCJ.12303

Индекс УДК 
004.094

Библиографическое описание
Моделирование траекторий движения группы беспилотных летательных аппаратов на основе алгоритма ADRRT-Connect в задаче расстановки сейсмических датчиков / А.И. Савельев [и др.] // Робототехника и техническая кибернетика. – Т. 12. - № 3. – Санкт-Петербург : ЦНИИ РТК. – 2024. – С. 184-193. – Текст : непосредственный.

Литература

  1. Алгоритмы и измерительный комплекс классификации источников сейсмических сигналов, определения расстояния и азимута до пункта возбуждения поверхностных волн / Д.Л. Зайцев [и др.] // Информатика и автоматизация. – 2022. – Т. 21. – №. 6. – С. 1211-1235. – Текст: непосредственный.
  2. Назарова А.В. Проблемы использования робототехнических систем в операциях спасения при землетря-сениях / А.В. Назарова, Мэйсинь Чжай // Робототехника и техническая кибернетика. – №3(20). – Санкт-Петербург: ЦНИИ РТК. – 2018. – С. 31-38. – Текст: непосредственный.
  3. Инновационный подход к автоматизированной фотоактивации посевных площадей посредством БпЛА с целью стимуляции роста культур / Н.Н. Севостьянова [и др.] // Информатика и автоматизация. – 2021. – Т. 20. – №. 6. – С. 1395-1417. – Текст: непосредственный.
  4. Распределение задач в кластеризированном поле целей для гомогенных и гетерогенных групп БПЛА / В.И. Петренко [и др.] // Робототехника и техническая кибернетика. – Т. 11. – № 2. – Санкт-Петербург: ЦНИИ РТК. – 2023. – С. 99-109. – Текст: непосредственный.
  5. Spivey M.Z. The dynamic assignment problem / Spivey M.Z., Powell W.B. // Transportation science. – 2004. – Т. 38. – №. – Pp. 399-419. DOI: 10.1287/trsc.1030.0073. – Text: electronic.
  6. Kuhn H.W. The Hungarian method for the assignment problem // Naval research logistics quarterly. – 1955. – Т. 2. – №. 1‐ – Pp. 83-97. DOI: 10.1002/nav.3800020109. – Text: electronic.
  7. Zavlanos M.M. Dynamic assignment in distributed motion planning with local coordination / Zavlanos M.M., Pappas G.J. // IEEE Transactions on Robotics. – 2008. – Т. 24. – №. – Pp. 232-242. DOI: 10.1109/TRO.2007.913992. – Text: electronic.
  8. Lagrange relaxation method for solving weapon-target assignment problem / Ni M. [et al.] // Mathematical Problems in Engineering. – 2011. – Т. 2011. DOI: 10.1155/2011/873292. – Text: electronic.
  9. Rockafellar R.T. Network flows and monotropic optimization. – Athena scientific, 1999. – 634 p. – Text: unmediated.
  10. Sikanen T. Solving weapon target assignment problem with dynamic programming // Independent research pro-jects in applied mathematics. – 2008. – Т. 32. – Text: unmediated.
  11. Mukhedkar R. Weapon target allocation problem using fuzzy model / Mukhedkar R., Naik S. // International Journal of Application or Innovation in Engineering & Management. – 2013. – Т. 2. – №. – Pp. 279-289. – Text: unmediated.
  12. Wacholder E. A neural network-based optimization algorithm for the static weapon-target assignment problem // ORSA Journal on computing. – 1989. – Т. 1. – №. – Pp. 232-246. – Text: unmediated.
  13. Lu Y. The Air Defense Missile Optimum Target Assignment Based on the Improved Genetic Algorithm / Lu Y., Mi-ao W., Li M. // Journal of Theoretical & Applied Information Technology. – 2013. – Т. 48. – №. – Text: unmediated.
  14. A hybrid heuristic ant colony system for coordinated multi-target assignment / Liu B. [et al.] // Information Technol-ogy Journal. – 2009. – Т. 8. – №. – Pp. 156-164. – Text: unmediated.
  15. Rabbani Q. Modified Hungarian method for unbalanced assignment problem with multiple jobs / Rabbani Q., Khan A., Quddoos A. // Applied Mathematics and Computation. – 2019. – Т. 361. – Pp. 493-498. – DOI: 10.1016/j.amc.2019.05.041. – Text: electronic.
  16. Sullivan J C.W. Path planning for redundant robot manipulators: a global optimization approach using evolutionary search / Sullivan J.C.W., Pipe A.G. // SMC'98 Conference Proceedings. 1998 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics. – IEEE, 1998. – Т. 3. – Pp. 2396-2400. – DOI: 10.1109/ICSMC.1998.725015. – Text: electronic.
  17. Hart P.E. A formal basis for the heuristic determination of minimum cost paths / Hart P.E., Nilsson N.J., Raphael B. // IEEE transactions on Systems Science and Cybernetics. – 1968. – Т. 4. – №.2. – Pp. 100-107. – DOI: 10.1109/TSSC.1968.300136. – Text: electronic.
  18. LaValle S. Rapidly-exploring random trees: A new tool for path planning // Research Report 9811. – 1998. – Text: unmediated.
  19. Nagatani K. Sensor Based Navigation for car-like mobile robots using Generalized Voronoi Graph / Nagatani K., Iwai Y., Tanaka Y. // Proceedings 2001 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Expanding the Societal Role of Robotics in the the Next Millennium. – IEEE, 2001. – Т. 2. – Pp. 1017-1022. – DOI: 10.1109/IROS.2001.976302. – Text: electronic.
  20. Stentz A. Optimal and efficient path planning for partially-known environments // Proceedings of the 1994 IEEE in-ternational conference on robotics and automation. – IEEE, 1994. – Pp. 3310-3317. – Text: unmediated.
  21. Lite with Reset: Improved Version of D Lite for Complex Environment / Le A.T. [et al.] // 2017 First IEEE Interna-tional Conference on Robotic Computing (IRC). – IEEE, 2017. – Pp. 160-163. DOI: 10.1109/IRC.2017.52. – Text: electronic.
  22. Karaman S. Sampling-based algorithms for optimal motion planning / Karaman S., Frazzoli E. // The international journal of robotics research. – 2011. – Т. 30. – №. – Pp. 846-894. DOI: 10.1177/0278364911406761. – Text: electronic.
  23. Otte M. RRTX: Real-Time Motion Planning/Replanning for Environments with Unpredictable Obstacles / Otte M., Frazzoli E. // Algorithmic foundations of robotics XI: selected contributions of the eleventh international workshop on the algorithmic foundations of robotics. – Springer International Publishing, 2015. – Pp. 461-478. – DOI: 10.1007/978-3-319-16595-0_27. – Text: electronic.
  24. Chen Y. Adaptively Dynamic RRT*-Connect: Path Planning for UAVs Against Dynamic Obstacles / Chen Y., Wang L. // 2022 7th International Conference on Automation, Control and Robotics Engineering (CACRE). – IEEE, 2022. – Pp. 1-7. – Text: unmediated.
  25. Gazebo: среда моделирования: [сайт]. –URL: https://gazebosim,org/home (дата обращения: 12.12.2023). – Text: electronic.
  26. ROS - Robotic Operating System: [сайт]. – URL: https://www,ros,org/ (дата обращения: 12.12.2023). – Text: electronic.
  27. Eigen: [сайт]. – URL: https://eigen,tuxfamily,org/index,php?title=Main_Page (дата обращения: 12.12.2023). – Text: electronic.
  28. Grid Map: Universal grid map library for mobile robotic mapping: [сайт]. – URL: https://github,com/ANYbotics/grid_map (дата обращения: 12.12.2023). – Text: electronic.
  29. PX4: Open Source Autopilot for Drones: [сайт]. – URL: https://px4,io/ (дата обращения: 12.12.2023). – Text: electronic.
  30. QGroundControl: [сайт]. – URL: https://qgroundcontrol.com/ (дата обращения: 12.12.2023). – Text: electronic.