Метод расчета капсулообразных воздушных коридоров безопасных маршрутов группы беспилотных летательных аппаратов

Аннотация

В работе рассматривается задача построения безопасных маршрутов группы беспилотных летательных аппаратов в ограниченном воздушном пространстве над сельскохозяйственным участком. Актуальность исследования обусловлена растущим применением групп БпЛА в агропромышленном комплексе для мониторинга, картографирования и обработки полей, что требует обеспечения безопасности полётов в условиях высокой плотности воздушного движения, ограниченной связи, а также воздействия внешних факторов. Особую сложность представляет необходимость автономного выполнения миссий при наличии навигационных погрешностей и природных воздействий. Предлагается метод планирования маршрутов, основанный на представлении траектории каждого аппарата в виде капсульного воздушного коридора – трёхмерного объёма фиксированного радиуса, сформированного вдоль отрезков траектории. Пространственное резервирование обеспечивает безопасное разнесение траекторий на этапе планирования, исключая конфликты при последующем автономном выполнении полётов без необходимости непрерывной координации между агентами. Радиус капсулы включает запас на возможные отклонения от запланированной траектории, что обеспечивает устойчивость к навигационным ошибкам. В основе метода лежит последовательное формирование маршрутов для каждого аппарата по четырёхфазной схеме, включающей вертикальный подъём от точки старта до рабочей высоты, горизонтальный переход к входу в зону обработки, возврат от выхода из зоны к точке начала снижения и вертикальный спуск к исходной позиции. Каждый новый маршрут строится с учётом уже зарезервированных воздушных коридоров через аналитическую проверку геометрических пересечений между капсулами различных траекторий и выпуклыми многогранниками зон обработки. Для повышения вычислительной эффективности применяется иерархическая пространственная фильтрация на основе ограничивающих параллелепипедов, позволяющая на предварительном этапе быстро отсекать заведомо непересекающиеся объекты и выполнять точную геометрическую проверку только для потенциально конфликтующих сегментов маршрутов. Численные эксперименты проводились для групп от 2 до 32 аппаратов на типовом сельскохозяйственном участке площадью один квадратный километр. Установлено нелинейное возрастание времени планирования и количества итераций с увеличением числа агентов, что обусловлено необходимостью построения каждого последующего маршрута в уже частично занятом пространстве с возрастающим числом пространственных ограничений. Длина маршрутов демонстрирует тенденцию к росту, особенно выраженную на начальных этапах масштабирования, что связано с необходимостью обхода уже зарезервированных воздушных коридоров.