Інтегрована симуляційна модель ройового управління й адаптивної маршрутизаціі БпЛА в умовах змінного повітрянного середовища
DOI:
https://doi.org/10.30837/2522-9818.2025.4.032Ключові слова:
безпілотні літальні апарати; ройове управління; адаптивна маршрутизація; PID-регулювання; оброблення інформації в реальному часі; оптимізація маршрутів.Анотація
Предмет дослідження – процеси ройового управління й адаптивної маршрутизації безпілотних літальних апаратів (БпЛА) у складних і динамічно змінних повітряних умовах із використанням адаптивних алгоритмів. Мета – розробити інтегровану симуляційну модель, що поєднує методи ройового управління, адаптивного PID-контролю та алгоритмів адаптивної маршрутизації для забезпечення безпеки, оптимальності й ефективності руху флотилій БпЛА в умовах мінливого повітряного середовища. Завдання: проаналізувати наявні підходи до ройового управління та адаптивної маршрутизації БпЛА; розробити математичну модель інтегрованої системи, яка бере до уваги особливості взаємодії між БпЛА, уникнення зіткнень та динамічні зміни повітряного середовища; створити алгоритм ройового управління, оснований на адаптивному PID-регулюванні параметрів руху БпЛА; розробити та впровадити алгоритм адаптивної маршрутизації, що реагує на зміни трафіку, погодних умов та інших факторів повітряного простору; реалізувати інтегровану модель у симуляційному середовищі та протестувати її ефективність; проаналізувати й порівняти ефективність роботи БпЛА з розробленими алгоритмами та без них. Методи: упровадження методів адаптивного PID-контролю для динамічного регулювання траєкторій руху БпЛА та забезпечення точності й стабільності польотів; застосування алгоритмів ройового управління (методи типу boids) для синхронізації руху та уникнення зіткнень у групах БпЛА; нелінійна оптимізація маршрутів з огляду на динамічно змінні уми, що дає змогу мінімізувати ризики зіткнень, витрати енергії та час польоту; побудова теоретико-графової моделі повітряного простору для ефективного планування маршрутів і прогнозування ситуацій; створення цифрових двійників повітряного середовища для проведення симуляційних експериментів. Результати: розроблено інтегровану симуляційну модель ройового управління та адаптивної маршрутизації БпЛА, яка зважає на зміни повітряного середовища; алгоритми адаптивного PID-контролю та ройового управління забезпечили зменшення середньої похибки позиціювання та уникнення зіткнень БпЛА; за результатами симуляційних експериментів досягнуто збільшення нагороди агентів на 50%, збільшення успішного завершення епізодів на 50%, а також зменшення помилок агентів на шляху до цілі на 10%. Висновки: створена інтегрована модель дає змогу ефективно управляти флотиліями БпЛА в умовах мінливого повітряного середовища й водночас значно підвищити безпеку та оптимальність маршрутів; використання адаптивних алгоритмів і теоретико-графових моделей забезпечує
високу точність прогнозування та мінімізацію ризиків; результати дослідження підтверджують перспективність упровадження розроблених алгоритмів для управління БпЛА в міських і регіональних умовах.
Посилання
References
Debnath, D., Vanegas, F., Sandino, J., Hawary, A. F., Gonzalez, F. (2024), "A review of UAV path-planning algorithms and obstacle avoidance methods for remote sensing applications". Remote Sensing, № 16 (21), 4019 р. DOI: 10.3390/rs16214019
Martins, F. G., Coelho, M. A. N. (2000), "Application of feedforward artificial neural networks to improve process control of PID-based control algorithms". Computers & Chemical Engineering, № 24 (2–7). Р. 853-858. DOI: https://doi.org/10.1016/S0098-1354(00)00339-2
Liu, X., Peng, Z.R., Zhang, L.Y. (2019), "Real-time UAV rerouting for traffic monitoring with decomposition based multi-objective optimization". Journal of Intelligent & Robotic Systems, № 94, Р. 491–501. DOI: 10.1007/s10846-018-0806-8
Almeida, E. N., Campos, R., Ricardo, M. (2022), "Traffic-aware UAV placement using a generalizable deep reinforcement learning methodology". 2022 IEEE Symposium on Computers and Communications (ISCC), Р. 1–6. DOI: 10.48550/arXiv.2203.08924
Madani, A., Engelbrecht, A. Ombuki-Berman, B., (2023), "Cooperative coevolutionary multi-guide particle swarm optimization algorithm for large-scale multi-objective optimization problems". Swarm and Evolutionary Computation. № 82. 101262 р. DOI: https://doi.org/10.1016/j.swevo.2023.101262
Luo, J., Tian, Y., Wang, Z. (2024), "Research on unmanned aerial vehicle path planning". Drones, № 8(2). 51 р. DOI: 10.3390/drones8020051
Li, C. Lian, J., (2007), "The Application of Immune Genetic Algorithm in PID Parameter Optimization for Level Control System". Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Automation and Logistics (ICAL), Jinan, China, Р. 2670–2674. DOI: https://doi.org/10.1109/ICAL.2007.4338670
Yang, F., Lu, Q., Li, R., Xu, Y., Yuan, W., Wu, X. (2023), "Real-time optimal path planning and fast autonomous flight for UAV in unknown environments". IEEE. DOI: 10.23919/CCC58697.2023.10240971
Li, Q., Li, R., Ji, K., Dai, W. (2015), "Kalman filter and its application". IEEE. DOI: 10.1109/ICINIS.2015.35
Hooshyar, M., Huang, Y.M. (2023), "Meta-heuristic algorithms in UAV path planning optimization: A systematic review (2018–2022)". Drones, № 7(12), 687 р. DOI: 10.3390/drones7120687
Li, H., Zhang, Z.-y. (2012), "The application of immune genetic algorithm in main steam temperature of PID control of BP network". Physics Procedia, № 25, Р. 80-86. DOI: https://doi.org/10.1016/j.phpro.2012.02.013
Zhang, M., Liu, Y., Wang, Y., Li, F., Chen, L. (2023), "Real-time path planning algorithms for autonomous UAV". IEEE. DOI: 10.1109/CAC57257.2022.10054770
Kim, D. H. (2003), "Comparison of PID controller tuning of power plant using immune and genetic algorithms". The 3rd International Workshop on Scientific Use of Submarine Cables and Related Technologies, Lugano, Switzerland, Р. 358–363. DOI: 10.1109/CIMSA.2003.1227222
Zhang, G. (2023), "6G enabled UAV traffic management models using deep learning algorithms". Wireless Networks, № 30, Р. 6709–6719. DOI: 10.1007/s11276-023-03485-4
Bezkorovainyi, V., Binkovska, A., Noskov, V., Gopejenko, V., Kosenko, V. (2025), "Adaptation of logistics network structures in emergency situations", Advanced Information Systems, Vol. 9, No. 4, P. 39–50. DOI: https://doi.org/10.20998/2522-9052.2025.4.06
Kuchuk, N., Kashkevich, S., Radchenko, V., Andrusenko, Y. Kuchuk, H. (2024), "Applying edge computing in the execution IoT operative transactions", Advanced Information Systems. Vol. 8, No. 4, P. 49–59. DOI: https://doi.org/10.20998/2522-9052.2024.4.07
Yena, M. (2024), "Optimizing air traffic control: Innovative approaches to collision avoidance in UAV operations". Integrated Computer Technologies in Mechanical Engineering – 2023 (ICTM 2023). Р. 543–553. DOI: 10.1007/978-3-031-60549-9_41
Saadi, A. A., Soukane, A., Meraihi, Y., Benmessaoud Gabis, A., Mirjalili, S., Ramdane-Cherif, A. (2022), "UAV path planning using optimization approaches: a survey". Archives of Computational Methods in Engineering. № 29. Р. 4233–4284. DOI: 10.1007/s11831-022-09742-7
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.
Наше видання використовує положення про авторські права Creative Commons для журналів відкритого доступу.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License (CC BY-NC-SA 4.0), котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо не комерційного та не ексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису опублікованої роботи, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
