Системная
интеграция и ускоренное макетирование смешанной робототехнической группировки
на предпроектной стадии жизненного цикла[1]
Ю.С.
Легович,
к.т.н., legov@ipu.ru,
А.В. Рожнов,
к.т.н., rozhnov@ipu.ru,
ИПУ РАН, г. Москва,
П.В. Миодушевский,
к.т.н., miopvm@gmail.com,
ITConsulting, Brindisi, Italy
Представлены
результаты поисковых исследований предпроектной
стадии жизненного цикла экспериментальных летательных аппаратов. В развиваемом комплексном
проекте рассматриваются характерные аналоги летательных аппаратов VTOL (vertical take-off and landing), т.е. с изменяющейся
аэродинамической схемой. В предлагаемых при патентном поиске к сопоставлению условных
аналогах в первую очередь были выделены экспериментальный прототип «Bell X-22»; техническое решение, показанное в патенте
«Vertical / shorttake-offand
landing aircraft»
(US 4828203); а также некоторые сведения из футуристичного
проекта «TriFan 600» (http://www.xtiaircraft.com/trifan-600)
и другие.
Обоснована возможность устранения
недостатков указанных аналогов в ряде новых технических решений.
Exploratory search on the pre-stage of the experimental aircrafts life
cycle involved a retrospective review and analysis of advanced projects experience.
Experimental prototype «Bell X-22», patent «Vertical / shorttake-offand
landing aircraft» (US 4828203) and the futuristic project «TriFan 600» are marked out as conditional analogs (at
patent research).
Введение
В обзорном докладе представлены рекомендации
и предложения по ускоренному макетированию смешанной робототехнической
группировки на предпроектной стадии жизненного цикла (на
примере летательных аппаратов, ЛА).
Демонстрационный (эволюционирующий) прототип
представляет собой предварительный результат системной интеграции отдельных программно-технических
решений (компонентов) летательных аппаратов с изменяющейся аэродинамической схемой.
В проводимых предпроектных исследованиях непосредственное
внимание уделяется построению робототехнических комплексов с использованием новейших
достижений современных технологий цифрового проектирования, виртуальной семантической
среды и некоторых других специализированных приложений.
Сопровождение поисковых исследований в интересах системной интеграции
компонентов
эволюционирующего прототипа робототехнического комплекса (беспилотного летательного
аппарата)
При сопровождении поисковых
исследований определены первостепенные вопросы разработки компонентов эволюционирующего
прототипа (БПЛА) и всестороннего обеспечения; – из проектов [1-14], выделены
следующие:
1.
Инструментально-моделирующий
комплекс исследования процессов управления и диспозиции сложного динамического
объекта в группе как базовый компонент виртуальной семантической среды. Целевой установкой
проекта относительно рассматриваемого фрагмента инструментально-моделирующего
комплекса (ИМК) исследования процессов управления определены частные задачи
упреждающего моделирования переключения режимов управления в группе при сложном
(составном) воздействии на объект управления ряда дестабилизирующих факторов. Приоритетным
приложением данного базового проекта (заявленного опорного интеграционного
компонента) рассматриваются возможные варианты (сценарии) реализации аэромобильного комплекса смешанной робототехнической
группировки для спасения и пожаротушения в высотных зданиях.
2.
Приложение
инструментально-моделирующего комплекса исследования процессов управления в
разноплановых примерах прорывных технологий субвокального
распознавания и морфинга. Рассмотрено
сопутствующее развитие функциональных возможностей ИМК исследования процессов
управления и диспозиции сложного динамического объекта в группе – реализация процедуры
отрицательного отбора, основанной на алгоритме обнаружения аномалий
искусственной иммунной системы, обеспечивается совмещением контроля
передаточных характеристик и статистической оценки показателя
частоты воздействия совокупности дестабилизирующих факторов. Некоторые примеры реализации ИМК показаны в таких несколько отдалённых,
на первый взгляд, разноплановых и нетривиальных задачах, как морфинг, субвокальное распознавание
и другие перспективные приложения аэродинамики и вычислительных технологий,
включая упреждающее моделирование нештатных ситуаций.
Таковая
возможность представляет собой исключительный пример становления и развития
прорывных технологий, предоставляющий качественно новые условия проектирования
и разработки инновационной продукции.
3.
Совершенствование
тренажёрных комплексов различного назначения посредством реализации
интеграционных компонентов виртуальной семантической среды. Для совершенствования
условий гарантированного интенсивного информационного взаимодействия в рамках
проекта предлагается создать оригинальную проблемно-ориентированную среду
(виртуальную семантическую среду) на основе применения новых методов пертинентного поиска при взаимодействии информационных
потоков (при оперативной обработке соответствующих информационных ресурсов).
Инновационный потенциал этой виртуальной семантической среды в перспективе
может быть использован, к примеру, для развития беспилотного транспорта, а
также новых программно-технических решений 3D-визуализации и вторичных интеграционных
компонентов (в составе прототипа комплекса средств) симулятора смешанных (аэрокосмических)
робототехнических группировок.
Краткий обзор некоторых аналогов и технических решений по построению летательных
аппаратов
с изменяющейся аэродинамической схемой в интересах проведения ускоренного
макетирования
В интересах проведения ускоренного
макетирования предлагается к рассмотрению последовательность наиболее характерных
и наглядных технических решений при построении летательных аппаратов (и их
элементов) с изменяющейся аэродинамической схемой, которые представлены в поясняющих
иллюстрациях на рисунке.
1. Начиная с рассмотрения видоизменённой
аэробаллистической мишени (см. рис. а) и б), –
графические сведения (изображения) таковых используются исключительно в
исследовательских целях / находятся в свободном доступе), – основное внимание
уделяется преимущественно предшествовавшим объектам условной эволюции V / STOL.
2. В предлагаемых при патентном поиске к
сопоставлению условных аналогах в первую очередь были выделены
экспериментальный прототип «Bell X-22»; техническое
решение патента «Vertical / shorttake-offand
landing aircraft» (US
4828203); общий дизайн футуристичного проекта «TriFan 600» (http://www.xtiaircraft.com/trifan-600) и
другие.
3. В частности, экспериментальный самолёт
вертикального взлёта и посадки «Белл X-22» (англ. «Bell
X-22») был создан для проведения исследований в полёте с использованием
поворотных движителей. Так, самолёт X-22A в первые был
поднят в воздух в 1966 году. В рамках проекта было построено 2 самолёта, причём
один из них был потерян в ходе испытаний. Испытания же второго прототипа
продолжались до закрытия программы в 1988 году.
В конструкции самолёта четыре крыла,
расположенных по тандемной (продольной) схеме. Силовая установка – четыре турбовальных газотурбинных двигателя (Дженерал
Электрик YT58-GE-8D мощностью 932 кВт / 1250 л.с.),
расположенных попарно на заднем крыле и работающих на общую трансмиссию.
Движителями являются четыре воздушных винта в поворотных кольцевых обтекателях,
которые имеют возможность разворота от вертикального положения (вертикальный
взлет) к горизонтальному (крейсерский полёт или взлёт
с разбегом).
Основные (приблизительные) лётно-технические
характеристики «Bell X-22» (см. рис. в)): максимальная скорость на
уровне моря – порядка 500 км/ч (максимальная достигнутая на испытаниях – около
400 км/ч); крейсерская скорость на высоте 3355 м (11000 футов) – около 343 км/ч;
декларируемая ранее дальность полёта – 716 км.
4. Изобретение (патент US 4828203) также относится
к самолетам вертикальной / короткого взлета и посадки (V / STOL), в котором расположенные
в крыльях самолета канальные вентиляторы снабжены регулируемыми щелевых
корпусами. Кроме этого, в задней части летательного аппарата расположены толкающие
воздушные винты. Воздушные потоки от первых могут быть направлены на управление воздушным
судном в режимах зависания или перехода между зависанием и полете вперед (см. рис. г), д), е) – в различных
ракурсах и режимах полёта).
5. Дизайн футуристичного
проекта «TriFan 600» приводится здесь же (см. рис. ж), з)) как иллюстрация характерных
современных коммерческих инициатив в сфере популяризации возможностей применения
малой авиации.
Некоторые особенности ускоренного макетирования эволюционирующего
прототипа
с применением специализированных инструментальных средств (интеграционных
компонентов)
Итак, оригинальные подходы к
проектированию и сопровождению наукоёмких изделий отечественной аэрокосмической
отрасли на этапах их жизненного цикла в условиях форсированного импортозамещения критических технологий позволяют в
достаточно полной мере учесть особенности ускоренного макетирования эволюционирующего
прототипа с применением новых специализированных инструментальных средств.
Характерной особенностью настоящего
проекта является задействование потенциала концепции экспериментального
языка и среды радикалов, получившей развитие при решении актуальных
научно-технических задач в НПО им. С.А. Лавочкина (КА «Электро»
и др.).
В частности,
экспериментальный язык схем радикалов позволяет единообразно представлять цели,
ресурсы, конфликты, правила, алгоритмы, запросы, задачи, методы решения задач,
программно-технические средства, все значимые составляющие проблемной области,
их свойства и связи. Так называемая «радикальная модель», описывающая процесс
функционирования целенаправленной системы, имеет многоуровневую структуру. При
этом рассматриваются основные структурные уровни радикальной модели.
Интеллектуальное управление на основе радикальной модели проблемной области
также позволяет обеспечить информационно-системную безопасность целенаправленной
систем.
В свою очередь, следует отметить широко
известный в ракетно- космической отрасли визуальный алгоритмический язык
программирования и моделирования «Дракон» (ранее применялся в рамках космической
программы «Буран»), который при совершенствовании (в качестве прототипа) в сочетании
с указанной концепцией посредством формализма вложенных сетей Петри, предположительно
позволит в перспективе достичь принципиально нового уровня сопровождения
наукоёмких изделий отечественной аэрокосмической отрасли на всех этапах их
жизненного цикла в условиях форсированного импортозамещения
и сертификации критических технологий.
а) б)
в)
г)
д) е)
ж) з)
Рис. Иллюстрации для сопоставления
возможностей эволюционирующего прототипа:
а) БПЛА «Типчак»; б) проект из «Skoltech»; в) «Bell X-22»; г), д), е) US
4828203; ж), з)
«TriFan 600»
Предложения по системной интеграции отдельных компонентов и развитию
новых технических решений
В настоящее время ретроспективные
исследования экспериментальных ЛА с изменяющейся аэродинамической схемой
завершают предпроектную стадию жизненного цикла, осуществляются
дополнительные изыскания по вопросу повышения энергоэффективности
летательных аппаратов с изменяющейся аэродинамической схемой [1-14].
Обосновываемые предложения ускоренного
макетирования смешанной робототехнической группировки на предпроектной
стадии жизненного цикла в интересах системной интеграции отдельных программно-технических
решений (компонентов) были ориентированы и в полной мере востребованы в продолженной
далее совокупности этапов:
§ анализ возможностей диверсификации областей применения моделей технологии
анализа среды функционирования в сочетании с экспериментальным языком и
средой (схем) радикалов при описании робототехнических комплексов, функционирующих
в различных средах (земля, вода, воздух, космос) на ранних стадиях жизненного
цикла (применение предметно-ориентированных языков и технологий аспектно-ориентированного программирования в примере
функционирования объектов аэрокосмической среды);
§ выбора
основного направления и процедурных решений системной интеграции моделей
смешанных робототехнических группировок в среднесрочной перспективе реализации
в условиях реализации стратегии «балансирование на грани» (с использованием
известных методов и моделей согласования иерархических решений, экспериментального
языка схем радикалов и формализма вложенных сетей Петри, иных сходных инструментальных
средств);
§ применение различного инструментария, которые позволяют оперативно
сформировать многомерное представление поведения группы объектов на каждом допустимом
этапе принятия решений, количественную оценку развития критичной ситуации в интересах
реализации трёхмерной визуализации на стенде виртуальной реальности (приложение
инструментария Unified Modeling
Language (UML) и Universal Systems Language (USL) в интересах
моделирования некоторых особенностей реализации роевого интеллекта);
§ демонстрация и
приложение новых задач динамического согласования иерархических решений для
проблемно-ориентированной системы управления, предназначенной для управления
группой объектов в критичной (социотехнической) среде,
ориентированной на реализацию взаимодействия пертинентных
информационных потоков (применение Augmented Reality Spatial Alignment (ARSA) на стенде виртуальной реальности).
Заключение
В результате исследований были обоснованы
опорные характеристики перспективного многоцелевого самолёта-конвертоплана
с концептуально новой аэромеханической схемой, различные варианты
реализации которого предполагают применение как: пассажирский самолёт до 10
мест; специальный самолёт для спасательных операций и скорой помощи; малый
беспилотный конвертоплан, имеющий большую продолжительность
полёта. Причём во всех рассматриваемых вариантах реализации предложенная
конфигурация многоцелевого самолёта-конвертоплана
позволит достичь более высоких характеристик в сравнении с подобными существующими
летательными аппаратами.
Литература
1.
Диане С.А.К., Рожнов А.В. Инструментально-моделирующий
комплекс исследования процессов управления как компонент виртуальной семантической
среды // Тезисы докладов CAD/CAM/PDM-2016. – М.: ИПУ РАН.
2.
Рожнов А.В. К обсуждению тенденций развития автономных
систем различного назначения / VIII Московская международная конференция по Исследованию
Операций. М.: МГУ, 2016 (в печати).
3.
Диане С.А.К. Перспективный аэромобильный
комплекс: прорывные технологии смешанных робототехнических группировок для спасения
и пожаротушения в высотных зданиях / Диане С.А.К., Рожнов А.В. и др. // Круглый
стол «Достижения академической науки в развитии робототехнических комплексов
двойного назначения». Международный военно-технический форум «Армия-2016». -
Кубинка, Московская обл., 10 сентября 2016 года.
4.
Прус Ю.В., Артюшин Ю.И., Буцынская
Г.А. Применение авиационных технологий в деятельности пожарных подразделений //
Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. 2008, № 2. – С. 70-73.
5.
Гречанюк Ф.А., Рожнов
А.В. Приложение ИМК исследования процессов управления в разноплановых примерах субвокального распознавания и морфинга
// Тезисы докладов CAD/CAM/PDM-2016. – М.: ИПУ РАН.
6.
Рожнов А.В. О развитии автономных систем различного
назначения: имитозащита, системная интеграция и интеллектное управление / Конференция «Фундаментальная
наука – Армии». Международный военно-технический форум «Армия-2016». - Кубинка,
Московская обл., 8 сентября 2016 года.
7. Рожнов А.В.
Творческие материалы «круглого стола». Ч. II. Системная интеграция и моделирование
новых эффектов в сфере интеллекта // Нейрокомпьютеры: разработка, применение. 2016. № 3. – С. 3-12.
8.
Максимов Д.Ю. N.A. Vasil’ev’s
Logical Ideas and the Categorical Semantics of Many-Valued Logic // Logica Universalis. 2016. – Т. 10 (1). – С. 21-43.
https://link.springer.com/article/10.1007/s11787-015-0134-8
9.
Николашин Ю.Л., Мирошников В.И., Будко
П.А., Жуков Г.А. Обеспечение устойчивого обмена данными с автономными
необитаемыми подводными аппаратами // Морская радиоэлектроника. 2016, № 1 (55).
10. Кулешов И.А.,
Мирошников В.И., Будко П.А., Жуков Г.А. Методы обмена
данными с глубокопогруженными автономными необитаемыми подводными аппаратами //
Морская радиоэлектроника. 2016, № 2 (56).
11. Лобанов И. А.,
Селиверстов Д. Е., Кублик Е.И. Совершенствование тренажерных
комплексов различного назначения посредством реализации интеграционных компонентов
виртуальной семантической среды // Тезисы докладов CAD/CAM/PDM-2016. – М.: ИПУ
РАН.
12. Легович Ю.С., Журавлева Н.Г., Гончаренко В.И., Цыпелев
В.В. Ретроспективные исследования экспериментальных летательных аппаратов с изменяющейся
аэродинамической схемой: предпроектная стадия жизненного
цикла // Тезисы докладов CAD/CAM/PDM - 2016.
13. V. Brito, L. Brito Palma, F. Vieira Coito, S. Valtchev. Modeling and Supervisory Control of a Virtual
X8-VB Quadcopter // IEEE International Power Electronics
and Motion Control Conference (PEMC), ST DS2, 2016. – P. 45.
14. Лобанов И.А.,
Рожнов А.В. Управление в едином информационно-управляющем поле смешанными и
разнотипными группами пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов при
переключении режимов их функционирования // Перспективы развития и применения
комплексов с беспилотными летательными аппаратами. – Коломна: ГЦБПЛА Минобороны
России, 2016.