Разработка беспилотных технологий на основе комплексной поэтапной оп-тимизации с редукцией экстремальных задач и инструментов нейро-нечеткого моделирования

Настоящий отчет обобщает и систематизирует данные, полученные в результате исследований по теме: «Разработка беспилотных технологий на основе комплексной поэтапной оптимизации с редукцией экстремальных задач и инструментов нейро-нечеткого моделирования» (FZNE-2022-0006; январь – декабрь 2023 г.). Функционирование БПЛА типа квадрокоптер или мультикоптер обеспечивается интеллектуальными информационно-управляющими системами (ИИУС), которые в массовом сегменте летательных аппаратов указанного типа получили «инженерное» название – «полётный контроллер». В связи с этим объект исследования – бортовая ИИУС беспилотного летательного аппарата (БПЛА). Неотъемлемая часть современных ИУС – программное обеспечение, которое вносит вклад в результирующую погрешность измерений и определяет эффективность самой системы управления, а, следовательно, и любой транспортной системы. Условия функционирования ИУС требуют адаптации реализуемых в них алгоритмов управления, оценки, идентификации к наблюдаемой динамике объектов управления – транспорта, в частности, БПЛА. Поэтому предмет исследования – процессы оценки, идентификации и управления, протекающие в бортовой интеллектуальной информационно-управляющей системе (пилотном контроллере) БПЛА. Целью научно–исследовательской работы является разработка требований, предложений, которые позволят разработать программно-аппаратный модуль для применения в системах управления легких беспилотных летательных аппаратов малого и среднего радиуса действия, а также создание макета беспилотного летательного аппарата. Целями второго этапа научно–исследовательской работы являются: – анализ программно-алгоритмического обеспечения квадрокоптеров, противоречий в практике и науке, которые требуют его разработки, постановка проблемы синтеза бортовой ИИУС (пилотного контроллера); – синтез математических моделей с адаптацией к наблюдаемой динамике управляемых беспилотных средств, алгоритмов управления и алгоритмов обработки измерительной информации с расчетом показателей их эффективности; – разработка метода оценки параметров движения управляемых объектов с использованием адаптивных математических моделей и поэтапной оптимизации при решении квазидетерминированных и стохастических задач и моделирование на его основе следящих систем радиоэлектронных комплексов; – разработка экспериментальных образцов БПЛА и бортовой ИИУС (пилотного контроллера) в целях отработки интеллектуальных технологий навигации и управления на базе алгоритмов оценки, управления и идентификации; – разработка рекомендаций по построению и применению синтезированных методов, алгоритмов и подсистем оценки, идентификации, управления при разработке программно-алгоритмического обеспечения ИИУС, что в дальнейшем потребует доработки созданного испытательного оборудования и расширения его номенклатуры, а на текущем этапе исследований связано с разработкой средств измерений ИИУС (пилотного контроллера); – разработка средств измерений ИИУС (пилотного контроллера): макета голографического микрофона, что требует исследования принципов преобразования сигналов в фотонных устройствах и предварительной оценка его метрологических характеристик на основе математического моделирования; – разработка средств измерений ИИУС (пилотного контроллера): радар как высотомер. Поскольку в соответствии с теоремой Федунова Б.Е. (опубликованной в журнале «Изв. РАН. Теория и системы управления» в 2003 г.) каждую проблемную субситуацию (ПрС/С) можно представить через оптимизационную задачу определенного типа, то исследования предполагают применение статистической теории синтеза и современной теории автоматического управления как основы разрешения проблемы синтеза ИИУС. Полученные результаты основаны на редукции задачи Лагранжа к изопереметрической задаче с использованием асинхронного варьирования в совокупности с известными методами теории систем и системного анализа применении. Разработка средств измерений ИИУС потребовала развития методов голографической фотоники и радиотехнических измерений. Поставленные цели достигнуты. По результатам исследований получены следующие обобщенные научно-технические результаты: – 5 статей, рецензируемых в наукометрической базе Scopus (необходимый показатель - 4 статьи; три статьи в журнале ВАК «Измерительная техника», переводная версия которого называется «Measurement Techniques» и индексируется в наукометрической базе Scopus/WoS, одна статья в журнале «Lecture Notes in Networks and Systems», одна статья в журнале «E3S Web of Conferences»); – 2 публикаций в научных журналах, входящих в базу данных РИНЦ (необходимый показатель – 2 публикации; обе статьи в «Журнале радиоэлектроники» Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (Москва), индексируемом в ядре РИНЦ); – 11 докладов на ведущих международных научных (научно-практических) конференциях в России и за рубежом (необходимый показатель – 6 докладов); – подано 8 заявок на объекты интеллектуальной собственности (необходимый показатель – 8 заявок на объекты интеллектуальной собственности); – членом научного коллектива защищена 1 диссертация на соискание степени кандидата технических наук (необходимый показатель – 1 защита); Таким образом, в целом показатели эффективности «Научно-исследовательской лаборатории технологий беспилотного транспорта» на 2023 г. перевыполнены. Области применения полученных результатов не ограничиваются измерительной техникой, транспортом и БПЛА. В частности, на текущем этапе исследований заявлен макет опытного образца голографического микрофона. Разработан его экспериментальный образец, который относится к ЭКБ для развития инфраструктуры связи можно отнести заявленный результат - «макет голографического микрофона». Традиционные решения характерезуются следующими недостатками: узкая специализация практического использования, нелинейность акустоэлектрического преобразования, ограниченные динамический и частотный диапазоны, технологически ограниченная чувствительность к уровню акустического сигнала, не исключается электрическая обратная связь при использовании в системах технологической связи и имеется возможность постороннего электромагнитного воздействия на чувствительные элементы микрофонов. Все это, например, приводит к тому, что при оперативной диагностике технического состояния аппаратуры телекоммуникационных систем без ее вывода из эксплуатации имеют место ситуации, когда акустические сигналы сложной формы и различной длительности, неразличимые на слух человека, по своим параметрам выходят за пределы динамического диапазона и быстродействия современных акустоэлектрических преобразователей. Другой аспект возможного применения голографического микрофона связан с самовозбуждением в каналах аппаратуры технологической связи, которое возможно из-за наличия в них положительных электрической и акустической обратных связей традиционных микрофонов. Для исключения электрической обратной связи в аппаратуре технологической связи, как правило, используются четырёхпроводный дуплекс или симплексные схемы связи. Для снижения отрицательной роли акустической положительной обратной связи в аппаратуре используются микрофоны-приёмники градиента давления или ларингофоны. При этом наибольшее распространение находят ларингофонные гарнитуры. Используемые в настоящее время в системах технологической связи оконечные терминалы в виде ларингофонных или шлемофонных гарнитур являются крайне неудобными в эксплуатации из-за жёсткой привязки работника к абонентской коробке аппаратуры технологической связи. Это может привести к снижению качества проведения ремонтных и других видов работ, а также затрудняет возможность документирования речевой информации работников, снижает возможности руководителя работ по качественному руководству и дистанционному контролю хода выполнения работ. Все сказанное обусловливает актуальность решения вопроса разработки высокочувствительных преобразователей речевой информации для аппаратуры технологической связи, обеспечивающих физическую свободу оператора аппаратуры от жёсткой привязки его к абонентским коробкам аппаратуры, что существенно облегчит выполнение им функциональных обязанностей, при условии соблюдения высоких чувствительности и шумостойкости разработанных устройств преобразования речи