Разработка программно-аппаратного комплекса группового управления беспилотными транспортными средствами на основе облачных данных для мониторинга окружающей среды и точного земледелия

Объектом исследования являются беспилотные транспортные средства (БТС) на базе беспилотных летательных аппаратов и автономных наземных транспортных средств, используемые при эффективном решении специальных задач мониторинга окружающей среды и точного земледелия. Цель работы – Разработка методов интеллектуального группового управления беспилотными транспортными средствами (АНТС, БПЛА) на основе облачных данных, включая алгоритмическое, информационное и программно-аппаратное обеспечение, расширяющих их функциональные возможности, характеристики надежности и автономности для достижения технологических режимов и параметров работы, обеспечивающих эффективное решение специальных задач мониторинга и точного земледелия. В ходе реализации проекта на данном этапе получены следующие результаты: выполнен аналитический обзор современного состояния исследований в области алгоритмического, программно-аппаратного обеспечения БТС, осуществлен выбор направления исследований. Разработаны технические требования на программно-аппаратный комплекс для управления группой БТС (АНТС, БПЛА), включающую подпрограмму для обработки и хранения данных от датчиков. Разработан метод и алгоритм многокритериальной оптимизации структуры и параметров БТС на основе сформулированных требований к рабочему пространству, возможных пересечений звеньев для класса решаемых задач на основе эвристических методов. Разработан алгоритм и программные компоненты многокритериальной адаптации группы БТС в зависимости от изменяющихся условий функционирования, целей и поставленных практических задач и реализован в облачной среде, что позволяет в режиме реального времени осуществлять выбор наилучшего решения при изменении состава группы БТС. Разработан комбинированный алгоритм локализации БТС и картографирования местности на основе SLAM алгоритма, позволяющий выполнять обнаружение и обход как неподвижных, так и подвижных препятствий на основе анализа данных, полученных с датчиков бинокулярного зрения. Разработан алгоритм обработки данных в виде массива точек, полученных с датчика Lidar, для обнаружения препятствий. Для исключения столкновения БТС с препятствиями разработана методика проверки пересечений элементов БТС с внешними объектами, предполагающая декомпозицию конструкции БТС и проверку пересечения объектов с использованием интервальных сокращателей. Разработан алгоритм и программный модуль планирования и траектории движения БТС на основе её итеративной оптимизации на основе эвристических методов с учётом положений препятствий, получаемых в результате трассировки. Разработана имитационная модель управления группой БТС в симуляционной среде ROS. Проведено имитационное моделирование. Разработана оптимальная архитектура системы управления для облачного развертывания номинального нелинейного контроллера, который использует “бесконечные” вычислительные возможности облака. Устойчивость к задержкам в сети и внешним помехам достигается за счет объединения нелинейного контроллера в облаке и локального вспомогательного контроллера. Разработана архитектура нелинейного оптимального контроллера, который использует ресурсы в облаке для решения задачи оптимизации на достаточно большом объеме. Для комплексного тестирования разработанных алгоритмов и программ проведены экспериментальные исследования в симуляционной среде ROS и тестирование программных модулей. Разработаны конструктивные решения захватных устройств, специализированных шарнирных узлов крепления, будут проведены прочностные расчеты, оптимизация конструктивных параметров. Разработана техническая документация на прототип ПАК, конструктивные элементы и узлы БТС и захватные устройства. Разработан прототип ПАК на основе интеграции системных компонентов вместе с датчиками и контроллером, системой технического зрения, программными модулями. Выполнено тестирование и отладка программных модулей, блоков ввода-вывода, контроллера, графических библиотек, интерфейсных блоков. Проведены экспериментальные исследования прототипа ПАК в лабораторных условиях, корректировка алгоритмов и управляющих программ, сопоставление и анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований.