Method of adaptive component-based design of unmanned aerial vehicles suitable for military missions

Abstract

The dynamic evolution of hybrid warfare conditions has led to the emergence and large-scale deployment of a new technological instrument of war – UAV swarms. This trend has created a variety of military application domains for UAVs, including strike, reconnaissance, decoy drones, and others. Designing new UAVs from scratch is time-consuming, which poses a critical challenge under wartime conditions. Therefore, it is relevant to conduct research into modern design methods capable of ensuring the rapid development of new UAVs through the adaptation of existing baseline components for constructing the required UAV system architecture in the chosen direction of military application. This study focuses on a set of models aimed at accelerating UAV development projects by adapting baseline components. The key objectives include: conducting a systems analysis of project activities required for adapting UAV architecture to new military applications; justifying the selection of UAV design alternatives suitable for a new component-based architecture; assembling a development team capable of designing a new UAV for specific purposes within a short timeframe; and modeling the sequence of project activities required to adapt UAV component-based architecture to emerging military operational requirements. The research utilizes a range of mathematical methods and models, including: systems analysis for adaptive project activities related to UAV development; component-based UAV design method; lexicographic ordering for ranking design alternatives; expert evaluation techniques for identifying the most rational UAV configuration; targeted search method for optimal developer team formation using integer (Boolean) programming; and simulation modeling to plan the sequence of project activities for adapting UAV component architectures to new military applications. The following results were achieved: a systems-based representation of UAV project activities using a component-oriented approach was developed; the selection of a rational UAV architecture adapted to new military requirements was substantiated; a qualified development team capable of rapidly executing a UAV design project has been selected, with consideration of designrelated risks; and a multi-agent model has been developed to facilitate planning of project activities aimed at adapting the UAV’s component architecture tailored to specific mission profiles. Conclusions: the findings of this study provide a scientific foundation for developing modern component-based UAV architectures for a variety of military applications; it ensures rapid execution of adaptation projects for existing UAV architectures to meet new application requirements and supports the formation of competent development teams under time and risk constraints. This contributes to improved military defense capabilities on the battlefield. The scientific novelty of the proposed approach lies in the creation of an adaptive design methodology grounded in the component-oriented paradigm. This enables the creation of new UAVs through the adaptation of existing architectures for specific military purposes and the formation of a development team capable of fast project execution in wartime conditions.

Динамічна зміна умов проведення гібридної війни призвела до створення та масштабного використання нового технологічного інструменту війни у вигляді рою БПЛА. Виникли різні напрями військового застосування БПЛА (ударні дрони, дрони-розвідники, дрони-імітатори, тощо). Проєктування, з нуля, нових дронів потребує немалого часу, що є критичним в умовах військового стану. Тому, актуальне проведення дослідження у використанні сучасних методів проєктування, які зможуть забезпечити швидкість створення нових БПЛА, шляхом адаптації існуючої множини базових компонент щодо формування потрібної архітектури комплексу БПЛА, у обраному напрямку військового застосування. Предметом дослідження є комплекс моделей, за допомогою якого можна забезпечити швидкість виконання проєкту створення БПЛА, на основі адаптації базових компонент. Завдання, які необхідно вирішити: системний аналіз проєктних дій щодо адаптації архітектури БПЛА до нового напрямку військового призначення; обґрунтування вибору варіантів проєктування БПЛА, для проведення адаптаційних дій щодо створення нової компонентної архітектури; формування команди розробників, спроможних, за короткий час, розробити БПЛА нового призначення; моделювання послідовності проєктних дій щодо адаптації компонентної архітектури БПЛА для нових військових умов застосування. Використані математичні методи та моделі: системний аналіз щодо проведення адаптаційних проєктних дій зі створення нового БПЛА; метод компонентного проєктування БПЛА; метод лексикографічного впорядковування варіантів; використання експертних оцінок, для вибору раціонального варіанту проєктування БПЛА; метод цілеспрямованого пошуку оптимальних рішень щодо створення команди розробників БПЛА, з використанням цілочисельного (булевого ) програмування; метод імітаційного моделювання для планування послідовності проєктних дій щодо адаптації компонентної архітектури БПЛА до нового напрямку військового призначення. Отримані наступні результати: запропоновано системне представлення проєктних заходів щодо створення БПЛА, з використанням компонентного підходу; обґрунтовано вибір раціонального варіанту архітектури БПЛА адаптованої до нових вимог військових; проведено вибір команди розробників БПЛА, спроможних швидко виконати проєкт створення нового БПЛА, з урахуванням ризиків проєктування; створена мультиагентна модель, яка дозволяє планувати проєктні дії щодо адаптації компонентної архітектури БПЛА до нового напрямку призначення. Висновки: результати проведеного дослідження дозволяють науково обґрунтувати створення сучасної компонентної архітектури БПЛА різного призначення; забезпечити швидкість виконання проєкту адаптації існуючої компонентної архітектури БПЛА до нового напрямку застосування; сформувати потрібну команду розробників до створення БПЛА в умовах обмежень, за часом, та ризиків проєктування. Це дозволить підвищити обороноздатність військових на полі бою. Наукова новизна запропонованого підходу пов’язана зі створенням адаптаційного методу проєктування з використанням компонентного підходу, що дозволить розробляти нові БПЛА шляхом адаптації існуючої архітектури до потрібного напрямку військового призначення, сформувати команду розробників для забезпечення швидкості виконання проєкту в умовах воєнного стану.