Разработка и исследование методов планирования энергоэффективных траекторий полета и управления процессом стыковки воздухоплавательных платформ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат наук Крухмалев, Виктор Александрович

• Крухмалев, Виктор Александрович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Крухмалев, Виктор Александрович

Оглавление

Введение

Глава 1. Обзор и анализ воздухоплавательных платформ как объекта управления

1.1 Оценка современного состояния воздухоплавательных платформ

1.2 Обзор и анализ методов построения моделей внешней среды

1.3 Обзор и анализ методов планирования энергетически эффективных траекторий

1.4 Обзор и анализ методов стыковки

1.5 Выводы к главе 1

Глава 2. Разработка и исследование метода получения математической модели внешней среды и метода планирования траекторий

2.1 Разработка метода получения математической модели среды

2.1.1 Разработка алгоритма предварительной обработки данных

2.1.2 Разработка структуры математической модели внешней среды

2.2 Разработка метода планирования траектории на основе генетического поиска

2.3 Выводы к главе 2

Глава 3. Разработка и исследование метода адаптивной коррекции априорной траектории на основе генетических процедур

3.1 Разработка метода адаптивной коррекции траектории на основе генетических процедур

3.2 Исследование метода адаптивной коррекции траектории

3.3 Выводы к главе 3

Глава 4. Разработка и исследование адаптивного метода управления стыковкой

воздухоплавательных платформ

4.1 Базовый метод управления стыковкой

4.2 Адаптивный метод управления стыковкой

4.3 Сравнение результатов моделирования

4.4 Исследование предлагаемого метода

4.5 Выводы к главе 4

Глава 5. Экспериментальная проверка метода адаптивного управления стыковкой

5.1 Определение математической модели макета системы управления на базе мини-дирижабля

5.2 Разработка структурной схемы макета системы управления

5.3 Реализация макета системы управления

5.4 Результаты эксперимента

5.5 Выводы к главе 5

Заключение

Список сокращений

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование методов планирования энергоэффективных траекторий полета и управления процессом стыковки воздухоплавательных платформ»

Введение

Применение воздухоплавательных платформ (ВП) в областях транспортировки, видеонаблюдения, ретрансляции, картографирования, геологоразведки представляет все больший интерес в настоящее время. Расширение диапазона высот функционирования воздухоплавательных платформ до уровня стратосферы открывает новые перспективы их использования в качестве низкоорбитальных спутников, транспортных средств с нулевым эмиссионным выбросом, ветровых энергетических станций [1-16]. При этом воздухоплавательные платформы в функциональном классе низкоорбитальных спутников сохраняют высокие экономические показатели по сравнению с космической техникой. Так по данным ЦАГИ за 2009 год почасовая стоимость эксплуатации спутника составляет S1000-4000, высотного дирижабля - $2-5. При этом организация движений воздухоплавательных платформ в классе автоматических систем являются неотъемлемой частью указанного выше функционала.

Указанные факторы обуславливают необходимость синтеза систем управления воздухоплавательными платформами. Различные аспекты этой проблемы рассмотрены в работах отечественных (А.Р. Гайдук, H.A. Глебов, В.Н. Голубятников, И.А. Каляев, В.Х. Пшихопов, P.A. Нейдорф, М.Ю. Медведев, М.Ю. Сиротенко) и зарубежных (Y. Yang, J. Wu, Е. Hygounenc, P. Soueres, I. Jung, S. Lacroix, G. C. Avenant, C. H. Hong, К. C. Choi, В.S. Kim, R.S. (Hollander) ученых.

Однако, при наличии достаточно большого числа публикаций, большинство предложенных подходов к синтезу систем управления ограничиваются управлением по путевым точкам и по жестко заданным траекториям с полным парированием внешних возмущений без учета закономерностей изменения внешней среды, что ведет к высоким энергетическим затратам на реализацию движения воздухоплавательной платформы. Необходимость обеспечения такой потребной энергетики ведет к увеличению

массы движительной и энергетической систем и связанных с ними конструктивных элементов, что уменьшает массу полезной нагрузки и, как следствие, ухудшает экономические показатели функционирования воздухоплавательных платформ, в отдельных случаях ставя под вопрос целесообразность их создания.

В этой связи разработка планировщика энергетически эффективных траекторий перемещения воздухоплавательных платформ является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является повышения энергетической эффективности функционирования и повышения точности автономной стыковки ВП.

Научная задача, решение которой содержится в диссертации, - разработка метода энергетически эффективного управления ВП, учитывающая ретроспективные данные внешней среды, и метода стыковки ВП, отличающегося адаптивной настройкой регулятора.

Основные задачи исследования:

- исследование параметров внешней среды функционирования ВП на основе ретроспективных данных;

- разработка структуры математической модели внешней среды функционирования ВП;

- идентификация математической модели внешней среды функционирования ВП на основе ретроспективных данных;

- разработка способа повышения энергетической эффективности траекторий движения ВП;

- проверка работоспособности разработанных концепций формирования улучшенных в плане энергетических затрат траекторий движения ВП с помощью имитационного моделирования;

- разработка закона управления стыковкой ВП;

- экспериментальное исследование и подтверждение корректности разработанного закона управления.

Методы исследования основаны на использовании методов теории управления, теории матриц, математической статистики, эволюционных вычислений, теории графов, методе аналитического синтеза нелинейных позиционно-траекторных систем управления подвижными объектами. Проверка эффективности полученных в ходе работы теоретических результатов осуществлялась средствами численного моделирования в среде МАТЪАВ и подтверждена результатами экспериментов.

Наиболее существенные новые научные результаты, полученные автором и выдвигаемые для защиты:

- метод построения математической модели ветровых возмущений в функции высоты и географического положения, отличающийся использованием подходов математической статистики в структуре планировщика перемещений и позволяющий оценить характер и величину ветра по априорной информации метеонаблюдений, в частности обнаружено что ветровые нагрузки за период времени январь 2011 - март 2012 в географической точке с координатами 44,65° с.ш., 11,62° в.д в диапазоне высот от 0 до 16 км имеют среднее значение от 5 до 16 м/с с верхней границей 68,5 % доверительного интервала колеблющейся в зависимости от высоты в пределах 13-36 м/с, что позволило сделать вывод о возможности использования ветровых нагрузок для снижения энергетических затрат на реализацию полета (с. 29);

- метод планирования априорной траектории движения воздухоплавательной платформы, отличающийся использованием генетических алгоритмов и позволяющий сократить энергетические затраты движение воздухоплавательной платформы на величину до 7,2 % (с.54) при горизонтальном барражировании и на 46% при вертикальном взлете (с. 66);

- метод адаптивной коррекции траектории движения воздухоплавательной платформы на основе реальных измерений ветровых возмущений, отличающийся

использованием генетических алгоритмов и позволяющий снизить энергетические затраты на реализацию движения воздухоплавательной платформы в реальном масштабе времени на величину до 8,7 % при барражирующем полете (сс. 72, 75, 76), в 8 раз при взлете (с. 66).

- метод управления стыковкой воздухоплавательных платформ, отличающийся адаптивной настройкой регулятора, позволяющий уменьшить погрешность стыковки в условиях внешних возмущений на 63% (сс. 90, 93, 94).

Практическая значимость работы заключается в реализации методов в

виде:

- комплекса программ на скриптовом языке Matlab, реализующим метод построения математической модели среды по данным из телекоммуникационной сети «Интернет»;

- комплекса программ на скриптовых языках Matlab и Python, реализующим метод построения энергетически эффективных траекторий движения ВП по априорным данным среды;

- комплекса программ на скриптовых языках Matlab и Python, осуществляющим построение энергетически эффективных траекторий движения ВП путем адаптивной коррекции априорных траекторий по актуальным данным среды;

- подпрограммы на скриптовом языке Python, реализующей метод адаптивного управления стыковкой ВП;

- программы на языке С++, осуществляющей прием, обработку и комплексирования данных от навигационной системы на базе системы технического зрения и датчика магнитного курса;

- программы управления на базе метаоперационной системы Robot Operating System (ROS), реализующей полный контур управления мини-дирижаблем, функционирующим внутри помещения.

Достоверность полученных результатов:

- обеспечивается строгими математическими выводами;

- подтверждается результатами экспериментов и имитационного моделирования;

- согласуется с данными экспериментов и результатами исследований других авторов, представленными в печатных изданиях.

Основные результаты исследований по теме диссертации представлены на Аэротехническом конгрессе и выставке SAE 2011, г. Тулуза (Франция), 2011 г.; конференции «Информационные технологии в управлении», г. Санкт-Петербург, 2012 г.; международной конференции «Системы, автоматическое управление и измерения», г. Ниш (Сербия), 2012 г.; конференции «Научно-технические проблемы построения систем и комплексов землеобзора, дозора и управления и комплексов с беспилотными летательными аппаратами», г. Москва, 2013 г.; аэротехническом конгрессе и выставке SAE 2013, г. Монреаль (Канада), 2013 г.; международной конференции по инженерным наукам ICEUBI 2013, г. Ковилья (Португалия), 2013 г.; 52-й конференции IEEE по системам принятия решений и управления, г. Триесте (Италия), 2013 г.; Латино-американском симпозиуме робототехники IEEE 2013, г. Арекипа (Перу), 2013 г.; конференции по аэрокосмическим системам и технологиям CAE 2014, г. Цинцинати (США), 2014 г.

Теоретические и практические результаты, полученные в рамках работы, использованы при выполнении НИР «MAAT - Многоуровневая транспортная система на базе стратосферных дирижаблей» (грант № 285602) 2011 - 2015 гг., выполняемого по заказу Еврокомиссии и внедрены в комплекс моделирования движения полномасштабной системы, а также в макетный образец системы, СЧ НИР «Разработка аванпроекта создания навигационной системы, системы управления, системы связи и передачи данных беспилотного стратосферного дирижабля длительного барражирования для информационного обеспечения ВКО» (шифр «Квазар-ВКО-ЮФУ»), 2012 - 2015 гг., выполняемого по заказу Министерства обороны РФ, внедрены в учебный процесс по дисциплинам

«Проектирование систем управления роботами», «Проектирование бортовых систем управления».

Личный вклад автора. Все научные результаты диссертации, выдвигаемые для защиты, получены автором лично.

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 13 печатных работах, в том числе 1 монография (в соавторстве), 3 статьи в ведущих научных изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов работ по диссертациям на соискание ученой степени кандидата технических наук, 3 статьи в электронных научных журналах, входящих в базу цитирования Scopus, 6 докладов в материалах Всероссийских и международных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 104 наименований, содержания, списка сокращений, приложения. Основная часть работы составляет 147 страниц и включает в себя 128 рисунков и 23 таблицы.

Во введении обоснована актуальность работы, описаны цель работы, научная задача, методы исследования, научные результаты с указанием научной новизны, практическая значимость, достоверность результатов, апробация работы, внедрение результатов, личный вклад автора, публикации, структура и объем работы.

В первой главе произведен обзор воздухоплавательных платформ. Рассмотрены известные методы формирования моделей среды и планирования траекторий автономного движения воздухоплавательных платформ и методов стыковки.

Большинство методов построения моделей среды, используемых в метеорологии, используют громоздкие с точки зрения реализации на вычислительных машинах модели среды, слабо применимые в настоящее время для функционирования в составе системы управления в режиме, близком к реальному времени. Другие методы построения математических моделей используют подходы математической статистики в части построения

распределений скорости и направления ветра и оценки их принадлежности к известным распределениям. Полученные таким образом модели пригодны для экспертной оценки величины потенциальных ветровых нагрузок в конкретной географической области (например, для принятия решений о строительстве аэропортов, ветровых станций) но не могут быть использованы в составе системы управления в качестве алгоритмического обеспечения планировщика перемещений.

Разрабатываемые в настоящее время подходы к планированию траекторий движения сосредоточены на отдельных конкретных образцах ВП, например метоеорологических зондах. Поэтому сделан вывод о необходимости разработки единого методологического подхода для планирования движения ВП, причем в качестве алгоритмического базиса выбраны генетические алгоритмы.

Также проанализированы современные подходы к организации управлением стыковкой и сделан вывод о необходимости разработки метода высокоточного адаптивного управления стыковкой.

Вторая глава посвящена разработке метода построения структуры и идентификации модели внешней среды функционирования ВП на основе ретроспективной информации извлеченной из метеорологических наблюдений, а также разработке специального алгоритмического обеспечения системы управления ВП в части планирования априорной траектории ее движения.

В работе использованы реальные метеорологические данные в качестве исходных данных для идентификации модели. Представлен алгоритм восстановления данных посредством регрессионного анализа. В работе построена математическая модель ветровых возмущений с использованием методов математической статистики по данным с восстановленными величинами. Модель учитывает изменения скорости и направления ветра в зависимости от высоты и географической координаты в заданном диапазоне времени.

В работе предложен метод планирования траектория движения платформы по вертикальной модели ветровых возмущений с использованием генетических алгоритмов.

Третья глава посвящена разработке метода управления на основе базового позиционно траекторного алгоритма управления ВП с адаптивной коррекцией априорной траектории ее движения, метод формирования которой описан во второй главе работы.

Очевидно, что реальные параметры среды численно будут иметь отклонения от математически ожидаемых. Поэтому в работе получен метод адаптивной коррекции априорной траектории на основе текущих значений ветровых возмущений.

Для оценки эффективности предлагаемого метода проведено сравнение результатов моделирования движения воздухоплавательной платформы с реализованным метод планирования и адаптивной коррекции траектории. Сделан вывод об эффективности предлагаемого метода

В четвертой главе разработан метод решения задачи управления стыковкой ВП, проведено имитационное моделирование работы метода.

Предложенный метод основывается на базовом алгоритме управления стыковкой и отличается от него адаптивной настройка коэффициентов быстродействия.

Проведенные результаты моделирования показывают улучшение точности стыковки на 63%.

В пятой главе диссертации проведена экспериментальная проверка предлагаемого алгоритма управления стыковкой. Разработана функциональная схема системы управления, позволяющая реализовать предлагаемый метод управления стыковкой. Проведена программно-аппаратная реализация системы управления макета ВП и проведен эксперимент. Метод показал успешное функционирование, погрешность стыковки в эксперименте составила около 20 см.

Глава 1. Обзор и анализ воздухоплавательных платформ как объекта

управления

1.1 Оценка современного состояния воздухоплавательных платформ

В настоящее время большое количество проектов направлено на разработку воздухоплавательных платформ (ВП). Проведем анализ существующих разработок в этой области [1-16]. Существует три основных направления использования ВП, как это показано в таблице 1.1. Около сотни компаний в мире занято в их конструировании. Современный мировой парк ВП насчитывает 70 полноразмерных аппаратов, без учета рекламных и военных экземпляров. По оценкам экспертов, основные области их применения топливно-энергетический комплекс, строительство, транспортировка грузов, лесная промышленность, металлургия. ВП сохраняют идеальное сочетание времени доставки, цены и топливных затрат.

Таблица 1.1- Направления развития ВП

ВП Многофункциональные Транспортные Высотные

Объем, м3 до 5000 100-Ю3 500-103 300-103 - 500-103

Конструкция мягкая жесткая мягкая либо жесткая либо полужесткая

Подъемная масса, тонн До 1,5 40-300 1-2

Высота полета, км ДО 4 1-2 до 20

Скорость, км/ч до 100 до 150 до 140

Дальность, км до 3000 до 12000 -

Время полета 24 часа 10-20 дней Несколько месяцев

Основные современные проекты ВП приведены на рисунке 1.1.

БапБ^ллге Опе

Рисунок 1.1- Основные проекты по разработке ВП Основной особенностью всех представленных проектов является ограниченность использования органического топлива для реализации движения ввиду очень малого соотношения массы полезной нагрузки к массе самой ВП, что влечет использование альтернативных источников энергии, например солнечных элементов. При этом также необходимо реализовывать движение ВП с учетом закономерностей изменения среды в части ветровых нагрузок.

1.2 Обзор и анализ методов построения моделей внешней среды

Известные методы построения модели среды в основном базируются на построении функции плотности вероятности скорости и направления ветра и определения ее принадлежности известному типу распределения. Эти эталонные

распределения могут быть стандартными параметрическими [31-34] (лог-нормальные, гамма, Вейбула, Релея и др.)- В ряде работ предложена оценка по унимодальным [17-22], бимодальным [23-28] и комбинированным распределениям [29]. Иллюстрация этого подхода показана на рисунке 1.2.

0.06

0.05

х ь и о

X 0.04

го; О о. ш

® 0.03

ь о

0

1

О 0.02

0.01

°10 20 30 40 50 60 70 80 90

Скорость ветра, м/с

Рисунок 1.2 - Определение типа распределения по гистограмме распределение

скоростей ветра исходной выборки [34]

Следует отметить, что полученные таким образом модели пригодны для экспертной оценки величины потенциальных ветровых нагрузок в конкретной географической области (например, для принятия решений о строительстве аэропортов, ветровых станций) но не могут быть использованы в составе системы управления в качестве алгоритмического обеспечения планировщика перемещений.

Принимая во внимание рассмотренные методы, очевидна задача разработки структуры модели внешней среды, позволяющей использовать ее как

для экспертных оценок, так и в составе системы автономного управления.

1.3 Обзор и анализ методов планирования энергетически эффективных

траекторий

Методы планирования траекторий движения ВП представлены в работах [35-46].

В работе [35] представлено программное обеспечение для планирования траектории взлета стратосферного зонда по априорным данным среды. На основании задания желаемой координаты выхода на высоте 35 км описанный метод позволяет выбрать день для запуска зонда. При этом авторы не описывают содержание метода, а результатом работы ПО являются вспомогательные данные для специалистов, занимающихся запуском зонда.

В работе [36] также описывается программное обеспечение для планирования траектории взлета метеорологического зонда. Планирование достигается путем интерполяции предсказанных координат в дискретных координатных точках, сами же эти точки рассчитываются по специализированным метеорологическим методам с использованием физических моделей среды, требующих значительных вычислительных затрат, что исключает возможность их применения в режиме реального времени.

В работе [37] производится оптимизация траектории движения ВП с учетом термальных эффектов нагрева несущего газа в дневные часы и охлаждения в ночные. Использованный в работе метод оптимизации -последовательное квадратичное программирование [38, 47]. При этом использована эмпирическая модель среды в горизонтальной плоскости [39], реализованная в виде проприетарного программного обеспечения и, как следствие, не обеспечивающая учета ретроспективных данных среды в настраиваемых диапазонах.

Таким образом, современные методы планирования движения стратосферных ВП сосредоточены в основном на объектах с одним исполнительным механизмом, реализующим управление по высоте (ВП типа

метеорологического зонда) и используют громоздкую в части вычислительных затрат структуру модели внешней среды.

В качестве основы алгоритма планирования возможно применение нейросетевых подходов, систем на базе нечеткой логики, генетических алгоритмов. В таблице 1.2 приведено сравнение их достоинств и недостатков.

Таблица 1.2 - Сравнение различных интеллектуальных подходов

Подход Достоинства Недостатки

Нейронные сети Высокая скорость возможна вследствие внутреннего параллелизма сети. Способность решать неформализованные задачи Надежность функционирования благодаря избыточности связей. Необходимость представительной обучающей выборки Окончательное решение зависит от начальных установок сети и его практически невозможно «интерпретировать» в традиционных аналитических терминах

Системы на основе нечеткой логики Значительное повышение быстродействия процессов управления при использовании нечетких контроллеров. Возможность создания систем управления для объектов, алгоритмы функционирования которых трудно формализуемы методами традиционной математики. Формализация алгоритма принятия решения понятна для человека Отсутствие стандартной методики конструирования нечетких систем; Невозможность математического анализа нечетких систем существующими методами. Применение нечеткого подхода по сравнению с вероятностным не приводит к повышению точности вычислений.

Генетические алгоритмы Не имеет значительных математических требований к видам целевых функций и ограничений. Исследователь не должен упрощать модель объекта, теряя ее адекватность, и искусственно Большое количество свободных параметров осложняет работу В простых целевых функциях (гладкие, один экстремум и т.п.)

Подход Достоинства Недостатки

добиваясь возможности применения доступных математических методов. Могут использоваться разнообразные целевые функции и виды ограничений (линейные и нелинейные), определенные на дискретных, непрерывных и смешанных универсальных множествах. Нахождение глобального оптимума возможно в отсутствии выпуклости функции. генетика всегда проигрывает по скорости простым алгоритмам поиска.

В результате анализа достоинств и недостатков указанных выше подходов для планирования априорной траектории автор предлагает использовать генетические алгоритмы.

1.4 Обзор и анализ методов стыковки

Большинство разрабатываемых в настоящее время подходов к управлению стыковкой относится к сфере космических и подводных аппаратов.

Эти подходы используют парадигму преследователь(сЬа8ег)-цель(Ча^е1), или именуемую по другому челнок^еес1ег)-крейсер(сгш8ег), заключающуюся в активном управлении преследователем (например, космический корабль), осуществляющим стыковку к выполняющему своему миссию объекту типа цель (например орбитальная станция, спутник).

Следует заметить, что задача управления стыковкой в безвоздушном околоземном пространстве осуществляется с помощью классических подходов, например программным управлением [48, 49] посредством применения линейно-квадратичного регулятора [50], метода искусственных потенциальных полей [51]. Основной акцент в работах в этой области сделан на особенности технической реализации систем управления с высокой надежностью и отказоустойчивостью.

Наибольший интерес в контексте поставленных в работе задач представляет тематика стыковки автономных необитаемых подводных аппаратов в силу воздействия внешних возмущений. При этом используются скользящее управление [52], нечеткие регуляторы [53].

В результате анализа методов управления стыковкой был сделан вывод о необходимости применения метода позиционно-траекторного управления, позволяющего осуществлять точное управление аппаратами аэростатического типа ввиду отсутствия сепарирования продольного и поперечного каналов и движения и возможностью учета нелинейной многосвязной модели объекта управления.

1.5 Выводы к главе 1

В главе произведен обзор воздухоплавательных платформ. Рассмотрены известные методы формирования моделей среды и планирования траекторий автономного движения воздухоплавательных платформ методы стыковки. В главе сделаны следующие выводы:

- применения ВП представляется перспективным в наше время;

- разработка внешней модели среды и ее идентификация позволят использовать ее как в составе вспомогательной системы пилота, так и в виде планировщика траекторий автономного движения ВП;

- энергоэффективные алгоритмы планирования позволят повысить экономических показателей функционирования ВП;

- генетические алгоритмы целесообразно использовать для задачи планирования энергоэффективных траекторий движения ВП;

- закон управления стыковкой ВП на основе базового позиционно-траекторного закона управления стыковкой позволит повысить точность стыковки по сравнению с классическими подходами.

Глава 2. Разработка и исследование метода получения математической модели внешней среды и метода планирования траекторий 2.1 Разработка метода получения математической модели среды 2.1.1 Разработка алгоритма предварительной обработки данных

Автор предлагает метод, предусматривающий использование реальных метеорологических данных. Эти метеорологические данные получены с использованием запусков метеозондов. Все имеющиеся на сегодняшний день метеорологические данные хранятся на сервере Международной метеорологической организации и представляют собой набор структурированных файлов [56]. Вид корневого каталога представлен на рисунке 2.1.

Имя Tm Размер ♦Дата

-г.. <Папка> ?

derived-v2 <Папка> 26.11.2013 10 i;

^ data-рог <Папка> 26.11.2013 04

..data-у 2d <Палка> 26.11.2013 03 QC

, montNy-por <Папка> 06.11.2013 11 о:

, monthly-tipd <Лапка> 06.11.2013 07 2<

<Папка> 01.04.2011 16 Si

„. related «Папка» 19.12.2010 20 2i

nv <Папка> 2S. 11.2007 00 2 ]

_ status txt 11379 01.10-2013 16 5\

, ^jgra-statorss bet 126 116 27.09.2013 17 ¿А

■ readme txt 10-367 07.01.201101 4"!

^ igra-wetada ta-descnpfcon txt 21720 05.10.2010 21 4?

^ tgra-metadata txt 5 659 153 05.10.2010 21

"^tigra-qc pdf 1 200 727 16.01.2003 21 5С'

^igra-compostes txt 13 244 01.03.200 7 20 s:

"Jigra-overve« pdf 35 1 703 06.02.2006 13

igra-counines txt 3025 10.11.2005 13 2:

Рисунок 2.1 - Архив метеорологических данных в файловом менеджере Файл "igra-stations.txt" содержит описания всех метеостанций. Образец содержимого файла, открытого в текстовом редакторе показан на рисунке 2.2. Данные из файла описывают страну, в которой метеостанция расположена, номер метеостанции в соответствии с номенклатурой Всемирной метеорологической организации, ее название, географические координаты, высоту над уровнем моря, года начала и окончания ее работы. Географические положения всех имеющихся

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Крухмалев, Виктор Александрович, 2014 год

Список литературы

1. Tozer Т. С., Grace D. High-altitude platforms for wireless communications //Electronics & Communication Engineering Journal. - 2001. - T. 13. - №. 3. - C. 127137.

2. Romeo G. et al. HELIPLAT: design, aerodynamic, structural analysis of long-endurance solar-powered stratospheric platform //Journal of Aircraft. - 2004. - T. 41. -№. 6.-C. 1505-1520.

3. Widiawan A. K., Tafazolli R. High altitude platform station (HAPS): a review of new infrastructure development for future wireless communications //Wireless Personal Communications. - 2007. - T. 42. - №. 3. - C. 387-404.

4. Fesen R. A. A high-altitude station-keeping astronomical platform //Astronomical Telescopes and Instrumentation. - International Society for Optics and Photonics, 2006. -С. 62670T-62670T-11.

5. Smith Jr I. S. Overview of the ultra long duration balloon project //Advances in Space Research. - 2002. - T. 30. - №. 5. - C. 1205-1213.

6. Horwath J. et al. Experimental verification of optical backhaul links for high-altitude platform networks: Atmospheric turbulence and downlink availability //International Journal of Satellite Communications and Networking. - 2007. - T. 25. -№. 5.-C. 501-528.

7. Onda M. Super-pressured high-altitude airship : пат. 6305641 США. - 2001.

8. Perry W. D. et al. Autonomous stratospheric airship : пат. 6386480 США. - 2002.

9. Onda M., Morikawa Y. High-altitude lighter-than-air powered platform. - SAE Technical Paper, 1991. -№. 912054.

10. Choi S. H. et al. High altitude airship configuration and power technology and method for operation of same : пат. 8020805 США. - 2011.

11. Chu A. N. Hybrid unmanned vehicle for high altitude operations : пат. 7341223 США. - 2008.

12. Romeo G., Frulla G., Cestino E. Design of a high-altitude long-endurance solar-powered unmanned air vehicle for multi-payload and operations //Proceedings of the

Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. - 2007. -T. 221.-№. 2.-C. 199-216.

13. Schmidt D. K., Stevens J., Roney J. Near-space station-keeping performance of a large high-altitude notional airship //Journal of Aircraft. - 2007. - T. 44. - №. 2. - C. 611-615.

14. Onda M., Morikawa Y. High-altitude lighter-than-air powered platform [Электронный ресурс] //SAE Technical Paper, 1991. - №. 912054.

15. Loon for All - Project Loon - Google [сайт] / UR1: http://www.google.com/loon/ (дата обращения 21.02.2014)

16. Design of Radar Panel Mounting Hardware for ISIS Radar Antenna [сайт] / URL: http://arc.aiaa.Org/doi/abs/10.2514/6.2013-1843 (дата обращения 21.02.2014)

17. Andrawus JA, Watson J, Kishk M. Wind turbine maintenance optimisation principles of quantitative maintenance optimisation. Wind Engineering 2007;31:101 -10.

18. Celik AN. Assessing the suitability of wind speed probability distribution functions based on wind power density. Renewable Energy 2003;28:1563 - 74.

19. Lun IYF, Lam JC. A study of Weibull parameters using long-term wind observations. Renewable Energy 2000;20:5 - 153.

20. Ramirez P, Carta JA. Influence of the data sampling interval in the estimation of the parameters of the Weibull wind speed probability density distribution: a case study. Energy Conversion and Management 2005;46:2419 - 38.

21. Torres JL, Garci'a A, Prieto E, de Francisco A. Characterization of wind speed data according to wind direction. Solar Energy 1999;66:57 - 64.

22. Garcia A, Torres JL, Prieto E, de Francisco A. Fitting wind speed distributions: a case study. Solar Energy 1998;62:139 - 44.

23. Jaramillo OA, Boija MA. Wind speed ana' lisis in La Ventosa, Mexico: a bimodal probability distribution case. Renewable Energy 2004;29:1613 - 30.

24. Carta JA, Ramirez P. Analysis of two-component mixture Weibull statistics for estimation of wind speed distributions. Renewable Energy 2007;32:518 - 31.

25. Carta JA, Mentado D. A continuous bivariate model for wind power density and wind turbine energy output estimations. Energy Conversion and Management 2007;48:420 - 32.

26. Jaramillo OA, Boija MA. Bimodal versus Weibull wind speed distributions: an analysis of wind energy potential in La Venta, Mexico. Wind Engineering 2004;28:225 - 34.

27. Akpinar S, Akpinar EK. Wind energy analysis based on maximum entropy principle (MEP)-type distribution function. Energy Conversion and Management 2007;48:1140-9.

28. Shamilov A, Kantar YM, Usta I. Use of MinMaxEnt distributions defined on basis of MaxEnt method in wind power study. Energy Conversion and Management. 2008;49:660 - 77.

29. Castino F, Rusca L, Solari G. Wind climate micro-zoning: a pilot application to Liguria Region (North Western Italy). Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 2003;91:1353-75.

30. Chadee JC, Sharma C. Wind speed distributions: a new catalogue of defined models. Wind Engineering 2001;25:319-37

31. Roldan J, Garcfa A, Losada A. A stochastic model for wind ocurrence. Journal of Applied Meteorology 1982;21:740-4

32. Auwera LV, Meyer F, Malet LM. The use of the Weibull three-parameter model for estimating mean wind power densities. Journal of Applied Meteorology 1980;19:819-25

33. Tar K. Some statistical characteristics of monthly average wind speed at various heights. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2007. doi: 10.1016/j .rser.2007.01.014

34. Y.Q. Xiao, Q.S. Li, Z.N. Li, Y.W. Chow, G.Q. Li Probability distributions of extreme wind speed and its occurrence interval. Engineering Structures 28 (2006) 1173-1181. doi: 10.1016/j .engstruct.2006.01.001

35. Heun M. K., Schlaifer R. S., Nock K. T. Trajectory simulation for single balloons and networks //Advances in Space Research. - 2002. - T. 30. - №. 5. - C. 1239-1244.

36. Collander R. S., Girz C. M. I. R. Evaluation of balloon trajectory forecast routines for GAINS //Advances in Space Research. - 2004. - T. 33. -№. 10. - C. 1727-1731.

37. Guo X., Zhu M. Ascent trajectory optimization for stratospheric airship with thermal effects //Advances in Space Research. - 2013. - T. 52. - №. 6. - C. 1097-1110.

38. Gill P. E., Murray W., Saunders M. A. SNOPT: An SQP algorithm for large-scale constrained optimization //SIAM journal on optimization. - 2002. - T. 12. - №. 4. - C. 979-1006.

39. Hedin A. E. et al. Empirical wind model for the upper, middle and lower atmosphere //Journal of atmospheric and terrestrial physics. - 1996. - T. 58. - №. 13. -C. 1421-1447.

40. Musso I. et al. A balloon trajectory prediction system //Advances in Space Research. - 2004. - T. 33. - №. 10. - C. 1722-1726.

41. Lee S., Bang H. Three-dimensional ascent trajectory optimization for stratospheric airship platforms in the jet stream //Journal of Guidance, Control, and Dynamics. -2007.-T. 30. - №. 5. - C. 1341-1351.

42. Siegers N., Brown A. X. Comment on" Three-Dimensional Ascent Trajectory Optimization for Stratospheric Airship Platforms in the Jet Stream" //Journal of guidance, control, and dynamics. - 2009. - T. 32. - №. 5. - C. 1692-1693.

43. Mueller J. B., Zhao Y. J., Garrard W. L. Optimal ascent trajectories for stratospheric airships using wind energy //Journal of guidance, control, and dynamics. -2009. - T. 32. - №. 4. - C. 1232-1245.

44. Zhao Y. J., Garrard W. L., Mueller J. Benefits of trajectory optimization in airship flights //AIAA 3 rd" Unmanned Unlimited" Technical Conference, Workshop and Exhibit. - 2004. - C. 1-14.

45. Mueller J. B., Zhao Y. J., Garrard W. L. Sensitivity and solar power analysis of optimal trajectories for autonomous airships //Guidance, Navigation, and Control Conference. Chicago: AIAA. - 2009. - C. 1-18.

46. Zhao Y. J., Garrard W. L., Mueller J. Benefits of trajectory optimization in airship flights //AIAA 3 rd" Unmanned Unlimited" Technical Conference, Workshop and Exhibit.-2004.-C. 1-14.

47. Gill P. E., Murray W., Saunders M. A. SNOPT: An SQP algorithm for large-scale constrained optimization //SIAM journal on optimization. - 2002. - T. 12. - №. 4. - C. 979-1006.

48. Hablani H. B., Tapper M. L., Dana-Bashian D. J. Guidance and relative navigation for autonomous rendezvous in a circular orbit //Journal of Guidance, Control, and Dynamics. - 2002. - T. 25. - №. 3. - C. 553-562.

49. Ichikawa A., Ichimura Y. Optimal impulsive relative orbit transfer along a circular orbit //Journal of guidance, control, and dynamics. - 2008. - T. 31. - №. 4. - C. 10141027.

50. Bevilacqua R., Lehmann T., Romano M. Development and experimentation of LQR/APF guidance and control for autonomous proximity maneuvers of multiple spacecraft //Acta Astronáutica. - 2011. - T. 68. - №. 7. - C. 1260-1275.

51. Lopez I., Mclnnes C. R. Autonomous rendezvous using artificial potential function guidance //Journal of Guidance, Control, and Dynamics. - 1995. - T. 18. - №. 2. - C. 237-241.

52. Oh M. H. et al. Homing and docking control of AUV using model predictive control //The Fifth ISOPE Pacific/Asia Offshore Mechanics Symposium. - International Society of Offshore and Polar Engineers, 2002.

53. Smith S. M. et al. Fuzzy logic control of an autonomous underwater vehicle //Control Engineering Practice. - 1994. - T. 2. - №. 2. - C. 321-331.

54. Batista P., Silvestre C., Oliveira P. A sensor-based controller for homing of underactuated AUVs //Robotics, IEEE Transactions on. - 2009. - T. 25. - №. 3. - C. 701-716.

55. Jantapremjit P., Wilson P. A. Control and guidance for homing and docking tasks using an autonomous underwater vehicle //Intelligent Robots and Systems, 2007. IROS 2007. IEEE/RSJ International Conference on. - IEEE, 2007. - C. 3672-3677.

56. Содержание /pub/data/igra [сайт] / URL: ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/igra (дата обращения 21.02.2014)

57. Weather Baloon [сайт] / URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Weather_balloon (дата обращения 21.02.2014)

58. Measuring the Weather [сайт] / URL: http://www.lawrencehallofscience.org/visit/plan_your_visit/local_nature_stories/measur ing_the_weather (дата обращения 21.02.2014)

59. Дрейпер H., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. Множественная регрессия // М.:«Диалектика», 2007. - С. 912. - ISBN 0-471-17082-8

60. Фёрстер Э., Рёнц Б. Методы корреляционного и регрессионного анализа // М.:Финансы и статистика, 1981. - 302 с.

61. Хргиан А.Х. Физика атмосферы // Ленинград: Гидрометеоиздат, 1969. - 645с.

62. Бернштейн С. Н. Теория вероятностей // Государственное издательство, 1927. -367 с.

63. Программа расчета и исследования вероятностной модели среды для системы планирования движения автономного стратосферного дирижабля: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014613033 / В.А. Крухмалев, Р.В. Федоренко. - Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 17 марта 2013 г.

64. В.Феллер. Целочисленные величины. Производящие функции // Введение в теорию вероятностей и её приложения / Под ред. Е. Б. Дынкина // М.: Мир, 1964.-С. 270-272

65. Пугачев B.C. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления // Изд. 2-ое, перераб. и допол. - М.: Физматлит, 1960. - 883 с.

66. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика: Учебное пособие для вузов // 9-е изд. - М.: Высшая школа, 2003. - 479 с. - ISBN 5-06004214-6

67. В.Х. Пшихопов, В.А. Крухмалев. Планирование энергоэффективных траекторий полета стратосферного дирижабля-челнока многоуровневой транспортной системы МААТ [Электронный ресурс] //Электронный научный журнал Инженерный вестник Дона- 2013- №2-http://www.ivdon.ru/magazine/arcliive/n2y2013/1646 (дата обращения 21.02.2012)

68. Fisher, N1., Statistical Analysis of Circular Data // Cambridge University Press, 1993.-277 c.- ISBN 0-521-35018-2

69. David F. Watson Contouring: a guide to the analysis and display of spatial data // Oxford, New York : Pergamon Press. - 1992. -317c.- ISBN-10: 0080402860

70. Dumas A., Trancossi M., Madonia M., Giuliani I. Multibody Advanced Airship for Transport [Электронный ресурс] // SAE Technical Paper, 2011. - №2011-01-2786,

71. Pshikhopov V. et al. Estimation of Energy Potential for Control of Feeder of Novel Cruiser/Feeder MAAT System // SAE Technical Paper, 2012. - №. 2012-01-2099

72. Ilieva G. et al. A critical review of propulsion concepts for modern airships //Central European Journal of Engineering. - 2012. - T. 2. - №. 2. - C. 189-200. - DOI: 10.2478/s 13531-011-0070-1

73. Vizinho R., Pascoa J. C., Silvestre M. High Altitude Transitional Flow Computation for a Propulsion System Nacelle of MAAT Airship [Электронный ресурс] // SAE Technical Paper, 2013. - №. 2013-01-2268.

74. Morgado J., Silvestre M. Á. R., Páscoa J. C. Parametric Study of a High Altitude Airship According to the Multi-Body Concept for Advanced Airship Transport— MAAT //Proceedings of IV Conferencia Nacional em Mecánica dos Fluidos, Termodinámica e Energia. - 2012. - ISBN 978-972-49-2234-8

75. Smith Т. et al. MAAT high altitude cruiser feeder airship concept //Electrical Systems for Aircraft, Railway and Ship Propulsion (ESARS), 2012. - IEEE, 2012. - C. 1-6.

76. Остославский И.В. Аэродинамика самолета // M.: Оборонгиз, 1957. — 557 с.

77. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа // Москва-Ленинград: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1950. - 677 с.

78. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю. Управление подвижными объектами в определенных и неопределенных средах// М.: Наука, 2011. - 350 с.

79. Пшихопов В.Х. Позиционно-траекторное управление подвижными объектами // Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - 183 с.

80. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю. Структурный синтез автопилотов подвижных объектов с оцениванием возмущений // Информационно-измерительные и управляющие системы // М.: 2006. - № 1. - С. 103 - 109

81. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю., Гайдук А.Р., Нейдорф Р.А., Беляев В.Е., Федоренко Р.В., Костюков В.А., Крухмалев В.А. Система позиционно-траекторного управления роботизированной воздухоплавательной платформой: математическая модель // Мехатроника, автоматизация и управление. 2013. - № 6. -С. 14-21.

82. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю., Гайдук А.Р., Нейдорф Р.А., Беляев В.Е., Федоренко Р.В., Костюков В.А., Крухмалев В.А., Система позиционно-траекторного управления роботизированной воздухоплавательной платформой: алгоритмы управления // Мехатроника, автоматизация и управление, 2013. - № 7. -С. 13-20.

83. Neydorf R. et al. Methods of Statistical Processing of Meteorological Data for the Tasks of Trajectory Planning of MAAT Feeders / Neydorf, R., Krukhmalev, V., Kudinov, N., Pshikhopov, V. // SAE Technical Paper, 2013. - №. 2013-01-2266. -doi: 10.4271/2013-01-2266

84. Гладков Л. А., Курейчик В. В., Курейчик В. М. Генетические алгоритмы: учебник//М.: Издательство: ФИЗМАТЛИТ. - 2010. - 368 с.

85. A FIELD GUIDE ТО GENETIC PROGRAMMING [сайт] / URL: http://www.gp-field-guide.org.uk/ (дата обращения 21.02.2014)

86. Koza, John R., Genetic Programming: On the Programming of Computers by Means of Natural Selection // MIT Press, 1992. - 604 c.

87. Haversine formula [сайт] / URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Haversine_formula (дата обращения 21.02.2014)

88. Stuart J. Russell, Peter Norvig Artificial Intelligence: A Modern Approach // Prentice Hall, 2009. - 1152 p. - ISBN 0-13-604259-7

89. R. Bellman: On a Routing Problem // Quarterly of Applied Mathematics, 1958. -T. 16. -№ l.-C. 87-90

90. Ford L. R., Fulkerson D. R.. Flows in Networks // Princeton University Press, 1962.-216 c.

91. Интеллектуальное планирование траекторий подвижных объектов в средах с препятствиями [монография] // под. ред. Пшихопова В.Х. - Москва: Физматлит, 2014.-430 с.

92. Dumas A. et al. Multibody advanced airship for transport // SAE Technical Paper,

2011.-№2011-01-2786.

93. Пшихопов, В.Х. Управление воздухоплавательными комплексами: теория и технологии проектирования / В.Х. Пшихопов, М.Ю. Медведев, Р.В. Федоренко, М.Ю. Сиротенко, В.А. Костюков, Б.В. Гуренко / М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 394 с.

94. Pshikhopov V. et al. Impact of the feeder aerodynamics characteristics on the power of control actions in steady and transient regimes / Pshikhopov, V., Medvedev, M., Neydorf, R., Krukhmalev, V. // SAE Technical Paper, 2012. - №. 2012-01-2112. -doi: 10.4271/2012-01-2112.

95. Pshikhopov V. K., Medvedev M. Y., Gurenko В. V. Homing and Docking Autopilot Design for Autonomous Underwater Vehicle // Applied Mechanics and Materials. - 2014. - T. 490. - C. 700-707.

96. Pshikhopov V. K. et al. Control System Design for Autonomous Underwater Vehicle //Robotics Symposium and Competition (LARS/LARC), 2013 Latin American. - IEEE, 2013. - C. 77-82. - doi:10.1109/LARS.2013.61

97. Pshikhopov V. et al. The Design of Helicopter Autopilot // SAE Technical Paper,

2012.-№2012-01-2098.

98. Pshikhopov V. et al. Airship autopilot design / Pshikhopov, V., Medvedev, M., Kostjukov, V., Fedorenko, R., Gurenko, В., Krukhmalev, V. // SAE Technical Paper, 2011. - № 2011-01-2736. - doi:10.4271/2011-01-2736

99. Pshikhopov V. K. et al. Adaptive Control System Design for Robotic Aircrafts //Robotics Symposium and Competition (LARS/LARC), 2013 Latin American. - IEEE, 2013. - C. 67-70. - doi:10.1109/LARS.2013.59

100. Kh P. V., Medvedev M. Y. Block Design of Robust Control Systems by Direct Lyapunov Method //Preprints of the 18th IF AC World Congress, Milano, Italy. - 2011. -C. 10875-10880.-doi: 10.3182/20110828-6-IT-1002.00006

101. Pshikhopov V. K., Ali A. S. Hybrid motion control of a mobile robot in dynamic environments //Mechatronics (ICM), 2011 IEEE International Conference on. - IEEE, 2011. - C. 540-545.

102. Pshikhopov, V.Kh., Medvedev, M.Yu, Robust control of nonlinear dynamic systems // IEEE ANDESCON Conference Proceedings, ANDESCON 2010.

103. V. Pshikhopov, M. Medvedev, and V. Chufistov. Study of control forces and torques distribution algorithms for intelligent control of vehicle actuators // Proceedings of the 2014 International Conference on Mechatronics and Robotics, Structural Analysis (MEROSTA 2014). Santorini Island, Greece, July 17-21, 2014. Pp. 94 - 97. ISBN: 9781-61804-242-2.

104. Earth Atmosphere Model [сайт] / URL: http://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/atmos.html (дата обращения 21.02.2014)

105. Костюков В.А., Пшихопов В.Х. Применение программного комплекса NUMECA INTERNATIONAL для расчета аэрогидродинамических параметров математических моделейподвижных объектов // Изв. ЮФУ.Технические науки. -2008. - №7. -С.82-89.