Разработка приложения для БПЛА

11.1. Проект "Мультиагентная система для БПЛА"

В настоящее время миниатюризация электронных компонент и технологичность их изготовления позволяет применять небольшие и доступныен беспилотные летательные аппараты (БПЛА) для выполнения задач исследования территории. Несмотря на небольшие размеры "игрушечные" самолеты сейчас способны развивать скорость свыше четырехсот км/ч, при установки на них небольшого реактивного двигателя. В нашем проекте "Мультиагентная система для беспилотного летательного аппарата (БПЛА)", представленном в сентябре 2012 года на "Петербургской осенней выставке ЭКСПО-2012", используется легкий планер PAPRIKA и небольшой квадрокоптер, который представляет из себя четырезмоторную раму в виде креста (рис. 6.1). Технические характеристики планера:

• размах крыльев 2 м, вес 2 кг
• полезная нагрузка 500 г
• скорость 40-60 км/ч
• дальность 200 км

и квадрокоптера:

• длинна лучей 450 мм
• полезная нагрузка до 1,2 кг
• скорость до 20 км/ч
• дальность до 1 км

Комплект бортового электронного оборудования для управления и связи состоит из:

• автопилота Ardupilot (Arducopter) построенного на основе процессора ATmega 2560 (16 MHz) и дополнительного процессора ATMega328 для обработки управляющего сигнала;
• исполнительных механизмов, которые в зависимости от источника способны работать, как с цифровым, так и с аналоговым управляющим сигналом;
• комплекта мотоустновки, в который входит: аккумулятор (LiPo - хорошая токоотдача, но потеря емкости при отрицательных температурах или LiFePO4 - низкая токоотдача, но работа при низких температурах), контроллер оборотов и безколллекторный электрический двигатель;
• комплекта приемника радиосигнала;
• для навигации используется стандартный набор инерциальной системы (гироскопы, магнитометры и акселерометры) и современный ГЛОНАСС/GPS приемник;
• передача телеметрии построена на модемах XBee 2.4 GHz.
• различное дополнительное оборудование, как исполнительные механизмы

и смартфона Intel с ОС Аndroid построен на основе процессора Intel Atom X86. В результате получаем модульную схему управления БПЛА, где на борту применяется несколькоуровневая система управления: управление исполнительными механизмами, ориентация БПЛА по спутнику, дополнительная информация от бортового микрокомпьютера с ОС Android.

Комплект базовой станции содержит различное оборудование для обработки данных и связи с БПЛА. Комплект радиосвязи может содержать несколько модулей: модуль пульта управления, модуль приема радиосигнала телеметрии, другие средства связи (Wi-Fi, Bluetooth и др.)

Связь между микрокомпьютерами разных БПЛА осуществляется за счет встроенного радиоприемника с частотой 2,4 GHz и протоколом общения 802.11 n (Wi-Fi), в котором применяется технология, связывающая два ближайших канала в один. Таким образом, микрокомпьютеры в БПЛА смогут одновременно принимать и отправлять информацию друг другу. Связь с базовой станцией осуществляется за счет отдельного радиоканала или через GPRS по GSM модему.

Рис. 11.1. Внешний вид планера (на рисунке - один из разработчиков проекта К.С.Амелин, на заднем плане - научный руководитель проекта, профессор О.Н.Граничин )

Рис. 11.2. Внешний квадрокоптера

За счёт небольшого веса БПЛА взлёт осуществляется с рук человека (в стандарте предполагается взлёт с катапульты). Посадка - либо за счёт встроенного парашюта, либо за счёт "перехвата" на ручное управление. Наличие "на борту" полнофункционального микрокомпьютера позволяет использовать БПЛА не просто в режиме "удаленной видеокамеры", которая передает видеопотоки в зоне прямой радиосвязи, а как интеллектуального мобильного агента с функциями автопилота. Такой агент способен существенно переработать исходную информацию, подготовить ее для обработки и самостоятельно автономно передать ее суперкомпьютеру по разным каналам связи - в том числе и через Интернет. Реальное ускорение в обработке данных позволит перевести в практическую плоскость и организацию автоматической обратной связи от суперкомпьютера к БПЛА с указанием возможных корректировок планов полета и наблюдений. Бортовые микрокомпьютеры со связью позволяют организовать и автономное взаимодействие внутри группы БПЛА для возможности перераспределения или уточнения заданий, обмена данными и т. п.

Например, при использовании группы БПЛА для геологоразведки на определенной территории работа системы организуется следующим образом:

1. Выбирается тип задачи (в выбранном примере - геологоразведка).
2. В зависимости от площади исследуемой территории и количества БПЛА в группе, их характеристик, территория разделяется на участки, и формируются отдельные задачи для каждого члена группы.
3. В микрокомпьютер каждого БПЛА группы записывается глобальная задача (параметры исследуемой территории и т. п.) и отдельная задача этого самолета-агента.
4. Каждый агент приступает к выполнению поставленной ему задачи.
5. Когда в зону Wi-Fi видимости одного БПЛА из группы попадает другой, при "общении" происходит передача между агентами накопленной информации и при необходимости взаимное уточнение отдельных задач. Таким образом, по ходу выполнения частной задачи, все агенты накапливают информацию о ходе решении общей задачи группы, а также локально принимают решения о корректировке своих частных задач для более эффективного выполнения общей. Например, группа БПЛА летит по определённому маршруту, все БПЛА летят на разной высоте, при обмене информацией между членами группы выясняется наилучшая высота полёта по энергозатратам, по ходу выполнения задания вся группа оперативно перестраивается на эту высоту.
6. Базовые наземные станции, обеспечивая связь с центром обработки данных (ЦОД), принимают/передают информацию от БПЛА, находящихся в их зоне видимости или поддерживающих связь через Интернет. Так как в процессе общения между БПЛА информация о выполнении общей задачи накапливается во всех микрокомпьютерах группы, то данные даже от тех самолетов, которые редко выходят на связь, все равно попадает в ЦОД.
7. Полученная в ЦОДе информация обрабатывается и визуализируется для заказчика (выдается карта с нанесенными исследуемыми характеристиками).
8. Наличие обратной связи с мобильными агентами (БПЛА) позволяет оперативно формировать из ЦОДа инструкции по корректировке их заданий.

Рассмотрим далее простейшую задачу для одиночного БПЛА - видеонаблюдение, которое будет заключаться в передаче серии фотоснимков с камеры, установленной на БПЛА, в ЦОД через GSM/GPRS канал.