Робототехника, автоматизация и системы управления

Многоуровневая стратегия безопасной навигации и распределения роя БПЛА для мониторинга лесных пожаров

А. А. Акимов^a, Ю. А. Гнатенко^b, Р. Г. Болбаков<sup>a

a</sup> Институт информационных технологий ФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет»
^b Стерлитамакский филиал Уфимского университета науки и технологий

Аннотация: Лесные пожары являются одной из наиболее опасных и трудно прогнозируемых природных угроз, что требует постоянного мониторинга линии распространения огня в реальном времени. Традиционные средства, такие как спутниковая съемка или наземные наблюдательные посты, не обеспечивают необходимой оперативности и полноты данных. Перспективным решением становится использование роя беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), однако их эффективная координация в условиях динамичной обстановки и ограниченных ресурсов связи и вычислений требует разработки специальных алгоритмов. В работе представлена многоуровневая стратегия управления роем БПЛА, объединяющая три механизма. Горизонтальная навигация реализуется методом искусственных потенциальных полей (Artificial Potential Field, APF), обеспечивающим притяжение к линии фронта пожара и отталкивание от препятствий и соседних аппаратов. Распределённый протокол согласования стабилизирует полет на общей опорной высоте, что гарантирует сопоставимые углы обзора. Для оптимального распределения вдоль линии фронта используется модифицированный алгоритм роя частиц (Particle Swarm Optimization, PSO), позволяющий снизить конкуренцию между дронами и уменьшить лишние манёвры. Проведена серия вычислительных экспериментов, в которых сопоставлены классический APF и гибрид APF+PSO для решения задачи оптимизации функционала эффективности движения роя БПЛА. Гибридная схема APF+PSO снижает значение функционала эффективности почти на порядок по сравнению с классическим методом APF; уменьшает вариативность поведения роя; поддерживает согласованную высоту без выраженного перерегулирования и обеспечивает корректный обход препятствий при движущемся фронте. Минимальные междроновые дистанции не опускались ниже порогового значения 5 м, что подтверждает соблюдение требований безопасности. Алгоритм демонстрирует устойчивое слежение за движущимся фронтом на протяжении всего горизонта моделирования, обеспечивая корректный обход препятствий. Разработанная стратегия сочетает вычислительную простоту с высокой надежностью. Дальнейшие исследования будут направлены на учет данных бортовых сенсоров (видео и тепловизоров), моделирование влияния ветра и рельефа, анализ задержек и потерь связи, а также расширение алгоритма на крупные группы БПЛА.

Ключевые слова: искусственные потенциальные поля, алгоритм роя частиц, распределённое управление, многоуровневая стратегия, навигация роя, оптимизация маршрутов, согласование высот, гибридные алгоритмы.

УДК: 004.896

Поступила в редакцию: 23.09.2025

DOI: 10.15622/ia.25.1.2