Un gemelo digital basado en bigrafías para la gestión de aterrizajes de múltiples UAV
Autores: Zhang, Tianxiong; Grzelak, Dominik; Lindner, Martin; Fricke, Hartmut; Aßmann, Uwe
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Un gemelo digital basado en bigrafías para la gestión de aterrizajes de múltiples UAV
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Robótica
Palabras clave
Aplicaciones
Movilidad aérea innovadora
UAVs
Marco de gemelos digitales
Sistemas reactivos biográficos
Propiedades de seguridad
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
Las aplicaciones de la Movilidad Aérea Innovadora (IAM) imponen altas exigencias a la coordinación segura de múltiples UAVs y plataformas de despegue y aterrizaje adaptadas a UAVs para mitigar efectos adversos imprevistos. Sin embargo, los enfoques de modelado existentes para la operación de vuelo de múltiples UAVs a menudo no proporcionan garantías de corrección formal ni mecanismos efectivos para mantener la consistencia ciberfísica. Para abordar estas limitaciones, este documento propone un marco de gemelo digital basado en bigrafos que unifica el modelado, la ejecución y la sincronización para la gestión de operaciones de aterrizaje que involucran múltiples UAVs. Aprovechando los Sistemas Reactivos Bigráficos (BRS), el marco emplea un modelo espacial basado en bigrids para representar formalmente las restricciones de ocupación de UAVs y plataformas, y para hacer cumplir asignaciones uno a uno de plataformas a través de reglas de reacción, apoyando pruebas formales de propiedades de seguridad. El modelo está vinculado a la ejecución física a través de APIs modulares y un servicio de control basado en máquinas de estado, lo que permite la sincronización ciberfísica en tiempo de ejecución. La especificación formal se verifica mediante verificación de modelos, que explora exhaustivamente el espacio de soluciones (es decir, comportamientos de UAV en entornos abstractos) para identificar soluciones algebraicas de bigrafos que garantizan aterrizajes sin conflictos en diferentes configuraciones de plataformas. El marco se instancia en la plataforma Crazyflie, demostrando su capacidad para unir el modelado formal y la ejecución física mientras mantiene la seguridad, escalabilidad y robustez en escenarios operativos que involucran múltiples UAVs.
Descripción
Las aplicaciones de la Movilidad Aérea Innovadora (IAM) imponen altas exigencias a la coordinación segura de múltiples UAVs y plataformas de despegue y aterrizaje adaptadas a UAVs para mitigar efectos adversos imprevistos. Sin embargo, los enfoques de modelado existentes para la operación de vuelo de múltiples UAVs a menudo no proporcionan garantías de corrección formal ni mecanismos efectivos para mantener la consistencia ciberfísica. Para abordar estas limitaciones, este documento propone un marco de gemelo digital basado en bigrafos que unifica el modelado, la ejecución y la sincronización para la gestión de operaciones de aterrizaje que involucran múltiples UAVs. Aprovechando los Sistemas Reactivos Bigráficos (BRS), el marco emplea un modelo espacial basado en bigrids para representar formalmente las restricciones de ocupación de UAVs y plataformas, y para hacer cumplir asignaciones uno a uno de plataformas a través de reglas de reacción, apoyando pruebas formales de propiedades de seguridad. El modelo está vinculado a la ejecución física a través de APIs modulares y un servicio de control basado en máquinas de estado, lo que permite la sincronización ciberfísica en tiempo de ejecución. La especificación formal se verifica mediante verificación de modelos, que explora exhaustivamente el espacio de soluciones (es decir, comportamientos de UAV en entornos abstractos) para identificar soluciones algebraicas de bigrafos que garantizan aterrizajes sin conflictos en diferentes configuraciones de plataformas. El marco se instancia en la plataforma Crazyflie, demostrando su capacidad para unir el modelado formal y la ejecución física mientras mantiene la seguridad, escalabilidad y robustez en escenarios operativos que involucran múltiples UAVs.