طراحی سناریوی پوشش یک منطقه گسترده مرزی توسط گروهی از پهپادها با قابلیت تمرکز بر نواحی اولویت‌دار

دهقان بنادکی, سید محمد مهدی; خصالی, محمد علی; مشرقیان, الهام

doi:10.22034/joae.2020.138428

طراحی سناریوی پوشش یک منطقه گسترده مرزی توسط گروهی از پهپادها با قابلیت تمرکز بر نواحی اولویت‌دار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

سید محمد مهدی دهقان بنادکی ¹

محمد علی خصالی ²

الهام مشرقیان ³

¹ مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

² مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

³ مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر- دانشگاه صنعتی مالک اشتر

10.22034/joae.2020.138428

چکیده

پوشش مداوم مناطق مرزی گسترده مستلزم بکارگیری گروهی از پهپادهای همکار می‌باشد. پژوهش‌های پیشین به کمک صفحه مجازی مکانی-زمانی زمینه‌ی مقایسه الگوها و سناریوهای مختلف پوشش را بر اساس معیارهایی همچون زمان بازدید مجدد، درصد پوشش مکانی-زمانی و میزان یکنواختی پوشش فراهم نمود. در ادامه این تحقیقات، مقاله حاضر به دنبال استفاده از مفهوم پوشش مکانی-زمانی برای ارائه روند طراحی خودکار سناریوی پوشش با قابلیت تمرکز بر مناطق اولویت‌دار از قبیل گذرگاه‌ها می‌باشد. سناریوی طراحی شده بر اساس تعداد و توزیع پهپادها در هر فرودگاه، اختلاف زمانی برخاست پهپادها، الگوی حرکت هر یک از پهپادها و سرعت آن‌ها در طول مسیر توصیف می‌گردد. تمرکز بیشتر بر مناطق بااهمیت نیز با تعیین اختلاف زمانی برخاستن پهپادها از فرودگاه‌ها و یا تغییر سرعت آن‌ها بر روی مناطق مورد نظر تأمین می‌شود. فرایند طراحی پیشنهادی قیودی از قبیل حداقل سرعت و حداکثر مداومت پروازی پهپادها، مشخصات مسیر، بار محموله و ... را در تولید مسیرهای مجاز در نظر گرفته و در انتخاب سناریوی نهایی، اولویت‌های کاربر را در خصوص کاهش تعداد پهپادها، افزایش میزان پوشش کل منطقه و کاهش حداکثر و متوسط زمان بازدید مجدد مدنظر قرار می‌دهد. فرایند پیشنهادی در قالب یک نرم‌افزار پیاده‌سازی شده و نتایج حاصل از آن قابلیت این روش در طراحی سناریوی مناسب بر اساس مطالبات کاربر و قیود موجود را نشان می‌دهد. همچنین سناریوی پیشنهادی با حالتی که پوشش همه نقاط ناحیه مرزی از اولویت یکسان برخوردار است، مقایسه شده است.

کلیدواژه‌ها

همکاری پهپادها

حفاظت از مرز

پوشش هوایی

طراحی سناریو پوشش

صفحه مجازی مکانی-زمانی

20.1001.1.17359449.1399.22.2.17.1

[1] Koslowski, M. B. Schulzke, 2018, "Drones along Borders: Border Security UAVs in the United States and the European Union." International Studies Perspectives 19.4, 305-324.‏
[2] G. Jumbert. 2018, "Control or rescue at sea? Aims and limits of border surveillance technologies in the Mediterranean Sea." Disasters 42.4, 674-696.‏
[3] Sun, P. Wanga, M. C. Vuran, M. A. Al-Rodhaan, A. M. Al-Dhelaan and I. F. Akyildiz, 2011 "BorderSense: Border patrol through advanced wireless sensor networks," Ad Hoc Networks 9(3), 468-477.
[4] Dudek, C. Haas, A. Kuntz, M. Zitterbart, D. Krger, P. Rothenpieler, D. Pfisterer and S. Fischer, 2009, "A Wireless Sensor Network For Border Surveillance," ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys09), Berkeley, CA, USA.
[5] Boudriga, 2016, "A WSN-based system for country border surveillance and target tracking," Advances in remote sensing, 5(1), 51-72.
[6] Berrahal, J. H. Kim, S. Rekhis, N. Boudriga, D. Wilkins and J. Acevedo, 2016, "Border surveillance monitoring using Quadcopter UAV-Aided Wireless Sensor Networks", Journal of Communications Software and Systems, 12(1), 67-82.
[7] Flesher, O. Oni and A. Sassoon, 2011, "Border Security: Air Team", Institute for Systems Research, James Clark School of Engineering, Universirt of Maryland.
[8] T. Ho, E. I. Grøtli, P. B. Sujit, T. A. Johansen and J. B. Sousa, 2015, "Optimization of Wireless Sensor Network and UAV Data Acquisition", Journal of Intelligent & Robotic Systems 78(1), 159-179.
[9] Sharma and R. Kumar, 2015, "A Cooperative Network Framework for Multi-UAV Guided Ground Ad Hoc Networks", Journal of Intelligent & Robotic Systems 77(3-4), 629-652.
Kiekintveld, V. Kreinovich and O. Lerma, 2011, "Optimizing Trajectories for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) Patrolling the Border", University of Texas, San Francisco, CA, 23-26.
DeLima, Pedro, and Daniel Pack, 2009, "Maximizing search coverage using future path projection for cooperative multiple UAVs with limited communication ranges" Optimization and Cooperative Control Strategies. Springer, Berlin, Heidelberg, 103-117.‏
Perez-Carabaza, E. Besada-Portas, J. A. Lopez-Orozco, M. Jesus, 2018, "Ant colony optimization for multi-UAV minimum time search in uncertain domains." Applied Soft Computing 62, 789-806.
Maza, A. Ollero, 2007, "Multiple UAV cooperative searching operation using polygon area decomposition and efficient coverage algorithms." Distributed Autonomous Robotic Systems 6: 221-230, Springer, Tokyo.‏
حسن حقیقی، سید حسین ساداتی، جلال کریمی، سید محمد مهدی دهقان، 1396، "بهینه‌سازی هیوریستیکی زمان بازبینی نظارت مداوم چندعاملی با استفاده از توابع وزنی کمترین مسافت"، دانش و فناوری هوافضا 6 (2)، 129-41.
حسن حقیقی، سید حسین ساداتی، جلال کریمی، سید محمد مهدی دهقان، 1397، "نظارت مداوم چندفروندی به‌وسیله الگوهای پیمایشی پایه با هدف کمینه‌سازی زمان بازبینی"، مهندسی هوانوردی۲۰ (۱) :۱-۱۲.
Nigam, S. Bieniawski, I. Kroo, J. Vian, 2012, “Control of multiple UAVs for persistent surveillance: algorithm and flight test results. IEEE Transactions on Control Systems Technology”, 20(5):1236-51.
K. Ure, G. Chowdhary, T. Toksoz, J.P. How, M.A. Vavrina, J Vian, 2015, “An automated battery management system to enable persistent missions with multiple aerial vehicles”, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 20(1): 275-86.
Hayat, et al, 2017, "Multi-objective UAV path planning for search and rescue." Robotics and Automation (ICRA), 2017 IEEE International Conference on, IEEE.‏
Nigam, 2014, “The Multiple Unmanned Air Vehicle Persistent Surveillance Problem: A Review”, Journal of Machines, 2(1):13-72.
Scherer, B. Rinner, 2019, "Persistent Multi-UAV Surveillance with Data Latency Constraints."arXiv preprint arXiv:1907.01205.‏
A. Khesali, S. M. Mehdi Dehghan and S. H. Cheheltani, 2014, “A new spatiotemporal virtual plane to evaluate the performance of the border coverage scenarios”, 2014 Second RSI/ISM International Conference on Robotics and Mechatronics (ICRoM). IEEE.
خصالی، دهقان و توکلی، تابستان 1396، "ارزیابی و انتخاب سناریوی مناسب پوشش هوایی مرز به کمک صفحه مجازی مکانی-زمانی"، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، جلد 47، شماره 2.