Исследователи IIT Bombay разрабатывают схему управления автономными дронами без использования GPS

Новая схема управления, разработанная профессором Двайпаяном Мукерджи и научным сотрудником Чинмаем Гаранаяком из Индийского технологического института (IIT) в Бомбее, позволяет беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) летать скоординированными группами, не полагаясь на GPS, связь между дронами или централизованные системы управления. В этом методе используются измерения только пеленга, полученные с помощью бортовых камер, для определения относительного положения и поддержания строя.

Исследователи применили эту схему к БПЛА с вертикальным взлетом и посадкой (VTOL), которые могут взлетать без взлетно-посадочной полосы и зависать в воздухе. Эти дроны подходят для операций в ограниченном пространстве, таких как наблюдение и мониторинг. «Автономность в стае — важнейшая задача», — сказал г-н Мукерджи. “Это означает, что транспортные средства в скоплении должны иметь возможность решать свои “действия” на основе переменных, которые они могут измерять с помощью своих бортовых датчиков, вместо того, чтобы полагаться на некоторую глобальную информацию, которую им подают, или на какой-то человек/централизованный компьютер, решающий, какими должны быть их действия. В этом наша парадигма отличается от обычных”, – добавил он.

Предлагаемая схема управления «только по пеленгу» позволяет каждому дрону использовать свою бортовую камеру для наблюдения за своими непосредственными соседями и расчета информации о пеленге. «При контроле только по пеленгу цель состоит в том, чтобы добиться контроля над пластом, используя только межагентные измерения пеленга», — сказал г-н Гаранаяк. Система не требует GPS или связи с другими дронами или центральным компьютером.

Измерения с помощью камеры менее подвержены шуму, чем обычные датчики расстояния, что упрощает сенсорную систему дрона, снижает требования к батарее и общий вес. Схема предназначена для работы в районах, где GPS недоступен или связь может быть заблокирована, что делает ее подходящей для операций в скрытом режиме, таких как секретные военные миссии.

Дроны вертикального взлета и посадки представляют собой недостаточно активные системы, а это означает, что они имеют шесть степеней свободы, но меньше непосредственно управляемых движений. Хотя они могут двигаться вертикально и вращаться вокруг трех осей, боковые движения и движения вперед-назад должны контролироваться косвенно. “Многие результаты в литературе не касаются недостаточной динамики транспортных средств вертикального взлета и посадки, а сосредоточены только на кинематической модели. Это побудило нас рассмотреть полностью недоработанную модель БПЛА вертикального взлета и посадки и изучить ее применимость для управления пластом”, – сказал г-н Мукерджи.

Недоработанным системам требуются динамические модели, которые включают положение, ориентацию, скорости, силы, крутящие моменты и инерцию. Предыдущие попытки применить к таким моделям управление только подшипниками часто терпели неудачу из-за нестабильности или поломок в определенных условиях. Г-н Мукерджи и г-н Гаранаяк разработали механизм управления, который обеспечивает сближение и поддержание желаемого строя, даже когда дроны стартуют с неидеальных позиций. Они предоставили строгие математические доказательства, подтверждающие надежность системы.

Их работа направлена на два операционных сценария. В первом случае дроны поддерживают строй на постоянной скорости, используя данные о пеленге и скорости пеленга. Во втором случае, когда формация и скорость меняются со временем, дроны помимо данных о пеленге используют собственные измерения скорости. Система может обрабатывать произвольные изменяющиеся во времени конфигурации, позволяя дронам перемещаться по узким проходам, перестраиваться в однолинейные формирования и адаптироваться к меняющимся требованиям миссии.

Исследователи планируют проверить схему управления экспериментально, используя рой дронов. В будущей дорожной карте они нацелены на предотвращение столкновений с теоретическими гарантиями. «Большинство существующих алгоритмов полагаются на для этого схемы предотвращения столкновений, которые не имеют каких-либо теоретических гарантий. Предотвращение столкновений с объектами в окружающей среде и между дронами — это задача, которую мы пытаемся решить на теоретическом уровне», — сказал г-н Мукерджи.