Разработка подпрограммы автоматизации и управления для систем зарядки мультироторных малых беспилотных авиационных систем для задач морских грузовых портов

Темой исследования является рассмотрение решения актуальной задачи продления времени выполнения полетных заданий беспилотных транспортных систем мультироторного типа с помощью автоматизированных систем зарядки и подпрограммы автоматизации, которая в настоящее время является одной из востребованных в сфере разработок и пилотных внедрений. В статье рассмотрена ситуация применения беспилотной авиационной системы для выполнения автономных полетов между районом грузового порта, например, для сбора данных для построения цифровых пространственных моделей или для передачи определенного типа грузов. Отмечается, что ввиду значительный размеров и удаленности грузовых терминалов друг от друга необходимо размещение сети автоматизированных зарядных станций. Дано обоснование эффективности выполнения автономных полетов и для решения задачи маршрутизации приведена новая модель полетного задания беспилотной авиационной системы с учетом размещения мест зарядных станций, например, в районах грузового порта. Для решения поставленных задач рассмотрен новый аппаратный комплекс для зарядки беспилотных авиационных систем с учетом приемного модуля с катушкой на борту и наземной системой посадки для зарядки, приведены принципиальные схемы и указаны ограничения для выполнения процесса заряда аккумуляторов. Приведены фрагменты программных кодов автоматизации графического интерфейса вебсервера c отображением всех параметров и расчетом коэффициента полезного действия при зарядке. Обоснован выбор программной среды Arduino IDE. Отмечается возможность использования разработанной автоматизированной станции для заряда аккумуляторов для большого класса беспилотников мультироторного типа. На основе серии эксперименов в летном исследовательском поле лаборатории беспилотных авиационных систем ФГАО ВО ГУАП установлено, что зарядной станции вместе с приемным модулем удалось достигнуть КПД по передаче заряда на уровне 73,7 %. Полученные значения КПД позволяют сделать вывод о возможности ее практического использования для реальных транспортных задач и возможности развертывания сети, в частности, на выделенных специализированных участках грузового порта. Разработанная подпрограмма автоматизации при развертывании сети зарядных станций (например, в разных районах порта) позволяет создать информационную систему мониторинга работы зарядных станций, что значительно повышает управляемость и надежность системы.

1. Костин А. С. Эксплуатация беспилотных авиационных систем / А. С. Костин, Н. Н. Майоров, Т. Ю. Карпова. — СПб.: ГУАП, 2021. — 169 c.

2. Kostin A. S. Models and methods for implementing the automous performance of transportation tasks using a drone / A. S. Kostin // 2021 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF). — IEEE, 2021. — Pp. 1–4. DOI: 10.1109/WECONF51603.2021.9470584.

3. GonzalezR P. L. Truck-drone team logistics: A heuristic approach to multi-drop route planning / P. L. Gonzalez-R, D. Canca, J. L. Andrade-Pineda, M. Calle, J. M. Leon-Blanco // Transportation Research Part C: Emerging Technologies. — 2020. — Vol. 114. — Pp. 657–680. DOI: 10.1016/j.trc.2020.02.030.

4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2022615497 Российская Федерация. Программа автономного полета беспилотной авиационной системы для реализации многоадресной доставки грузов / Н. Н. Маоров, А. С. Костин, Е. А. Вознесенский; заяв. и патентообл. Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения. — № 2022615305; заявл. 31.03.2022; опубл. 31.03.2022, Бюл. № 4.

5. Стратегия развития беспилотной авиации Российской Федерации на период до 2030 года и на перспективу до 2035 года, национальный проект «Беспилотные авиационные системы». [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://government.ru/docs/48875/ (дата обращения 20.07.2024).

6. Outay F. Applications of unmanned aerial vehicle (UAV) in road safety, traffic and highway infrastructure management: Recent advances and challenges / F. Outay, H. A. Mengash, M. Adnan // Transportation research part A: policy and practice. — 2020. — Vol. 141. — Pp. 116–129. DOI: 10.1016/j.tra.2020.09.018.

7. Костин А. С. Разработка автоматизированных решений для исследования вариантов маршрутов доставки при совместном использовании транспортного средства и беспилотной авиационной системы в границах города / А. С. Костин, Н. Н. Майоров // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — 2022. — № 7. — С. 348–356. DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-348-357.

8. Jaller M. Automation, electrification, and shared mobility in urban freight: Opportunities and challenges / M. Jaller, C. Otero-Palencia, A. Pahwa // Transportation Research Procedia. — 2020. — Vol. 46:13‒20. — P. 13–20. DOI: 10.1016/j.trpro.2020.03.158.

9. Вознесенский Е. А. Алгоритм точной посадки мультироторных беспилотных авиационных систем на станцию автономной зарядки / Е. А. Вознесенкий // Системный анализ и логистика. — 2021. — № 4 (30). — C. 3‒10. DOI: 10.31799/2077-5687-2021-4-3-10.

10. Язвенко М. Р. Моделирование процесса доставки грузов беспилотной авиационной системой в границах района города / А. С. Костин, Н. Н. Майоров, М. Р. Язвенко // Аэрокосмическое приборостроение и эксплуатационные технологии: Четвертая Международная научная конференция, Санкт-Петербург, 04–21 апреля 2023 года. Т. Ч. 1. — СПб.: Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения. — 2023. — С. 211‒219. DOI: 10.31799/978-5-8088-1819-4-2023-4-1-211-219.

11. Силина А. А. Исследование модернизации морского пассажирского порта на основе цифрового двой ника и оценка инфраструктуры с помощью динамических данных от беспилотных авиационных систем / Н. Н. Майоров, А. А. Силина, В. А. Фетисов // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. — 2024. — № 2. — С. 76–88. DOI: 10.24143/2073-1574-2024-2-76-88.

12. Pillac V. A review of dynamic vehicle routing problems / V. Pillac, M. Gendreau, C. Guéret, A. L. Medaglia // European Journal of Operational Research. — 2013. — Vol. 225. — Pp. 1–11. DOI: 10.1016/j.ejor.2012.08.015.

13. Engel J. Accurate Figure Flying with a Quadrocopter Using Onboard Visual and Inertial Sensing / J. Engel, J. Sturm, D. Cremers // Proc. of the Workshop on Visual Control of Mobile Robots (ViCoMoR) at the IEEE/ RJS Intern. Conference on Intelligent Robot Systems (IROS). Vilamoura, Algarve, Portugal. — 2012. — Pp. 43–48.

14. Arduino IDE [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.arduino.cc/en/software/ (дата обращения 01.06.2024).

15. Свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ № 2022682846 Российская Федерация. Программа автономной базовой станции квадрокоптера для зарядки аккумулятора и передачи данных о дроне с клиентской части в веб интерфейс / А. С. Костин, Е. А. Вознесенский; заяв. и патентообл. Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения. — №2022682642; заявл. 28.11.2022; опубл. 28.11.2022. Бюл. № 12.

16. Костин А. С. Информационно-измерительные системы для контроля выполнения траектории авиационной системы / А. С. Костин // Волновая электроника и инфокоммуникационные системы. Материалы XXIV Международной научной конференции. — СПб.: ГУАП, 2021. — Т. Ч. 1. — C. 219–226. — EDN HUQLIU.