Informetric method for determining the effective drop point of humanitarian cargo from UAVs under limited computational resources.

Abstract

The subject of the research is the calculation of high-precision drop points for humanitarian cargo from unmanned aerial vehicles (UAVs) in challenging atmospheric conditions and under strict limitations on onboard computational resources. The object of the study is the airdrop process, which includes ballistic, aerodynamic, and informational factors that determine the final trajectory of the container. The author examines in detail aspects such as the integration of differential-geometric modeling of the atmosphere based on the Ricci flow, quantum-inspired global optimization of the drop point, and lightweight neural network-based real-time trajectory correction using the ESP32 microcontroller. Special attention is given to the distribution of computational load between the Raspberry Pi 5 single-board computer, which performs resource-intensive calculations, and the energy-efficient controller responsible for online corrections. Thus, the research aims to establish a unified infometric approach that minimizes the uncertainty of the landing coordinate and ensures a metric level of delivery accuracy for cargo. The research methodology is based on the combination of the Ricci flow for adaptive atmospheric modeling, quantum-inspired particle swarm optimization for CARP search, and TinyML corrections of the cargo trajectory on the ESP32 during descent. The main findings of the study include the confirmed feasibility of metrically accurate airdrop without heavy navigation systems and the demonstration of the effectiveness of the proposed infometric concept QRNA. The author's special contribution to the research is the development of a hybrid algorithm that combines methods of differential geometry, quantum-inspired optimization, and lightweight neural network training, as well as its practical implementation on accessible single-board devices. The novelty of the study lies in the integration of the Ricci flow for dynamic distortion of the metric model of the atmosphere directly in the drop point calculation task and the application of quantum swarm searching in the CARP coordinate space. Additional novelty is manifested in the use of a TinyML network for online trajectory correction of the cargo, which has not been previously applied in the context of humanitarian UAVs. The modeling results demonstrate a reduction in the root mean square error of landing to 0.15 m, which is an order of magnitude better than advanced ML approaches and two orders of magnitude more accurate than classical ballistic methods, confirming the high practical value of the developed algorithm.

References

  1. Лазарев В.С., Лащев А.А. Разработка математической модели БПЛА на базе квадрокоптера с рамой DJI F-450 // Инженерный вестник Дона. 2018. № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/5001.
  2. Хтет Сое Паинг, Е Тет Линн, Хан Мью Хтун. Моделирование нечетко-логического управления квадрокоптером // Инженерный вестник Дона. 2020. № 7. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N7y2020/6533.
  3. Кавелин А.С., Тютина А.Д., Нуриев В.Э. Использование квадрокоптеров для обследования объектов // Инженерный вестник Дона. 2019. № 7. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N7y2019/6108. EDN: NHELQF.
  4. Холкин А.В., Медведев М.В. Определение зигзагообразности траекторий движения транспортных средств // Инженерный вестник Дона. 2024. № 12. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n12y2024/9689. EDN: KTSHZK.
  5. Сергеев Д.А., Родионов Д.Г., Поляков П.А., Голиков Г.И., Старченкова О.Д., Дмитриев Н.Д., Конников Е.А. Интеллектуальная система мониторинга и адаптации маршрута беспилотных летательных аппаратов на основе нейросетевого анализа объектов риска // Программные системы и вычислительные методы. 2025. № 1. С. 55-70. doi: 10.7256/2454-0714.2025.1.73255 EDN: UZVYID URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=73255
  6. Родионов Д.Г., Сергеев Д.А., Конников Е.А., Попова С.Д. Метод анализа аэрофотоснимков с БПЛА на основе SSIM и MSE для оценки надежности технических систем // Программные системы и вычислительные методы. 2025. № 2. С. 217-230. doi: 10.7256/2454-0714.2025.2.73765 EDN: BSPENZ URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=73765
  7. Makhmudov F., Privalov A., Egorenkov S., Pryadkin A., Kutlimuratov A., Bekbaev G., Cho Y.I. Analytical Approach to UAV Cargo Delivery Processes Under Malicious Interference Conditions // Mathematics. 2025. Vol. 13. No. 12.
  8. Wang X., Yin J., Li J., Li Y. A Multidimensional Parameter Dynamic Evolution-Based Airdrop Target Prediction Method Driven by Multiple Models // Remote Sensing. 2025. Vol. 17. No. 14.
  9. Majeed A., Hwang S.O. Path Planning Method for UAVs Based on Constrained Polygonal Space and an Extremely Sparse Waypoint Graph // Applied Sciences. 2021. Vol. 11. No. 12.
  10. Shen Y., Zhu Y., Kang H., Sun X., Chen Q., Wang D. UAV Path Planning Based on Multi-Stage Constraint Optimization // Drones. 2021. Vol. 5. No. 4.
  11. Варламов О. О. Об одном подходе к метрике автономности и интеллектуальности робототехнических комплексов // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. 2017. № 6-2. С. 43-53. EDN: YWNDPI.
  12. Коптев В. А. Анализ БПЛА как актуальных радиолокационных целей и их маскирующих факторов // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. 2024. № 6-1. С. 244-250. doi: 10.24412/2500-1000-2024-6-1-244-250. EDN: IIBCXX.
  13. Варламов О. О., Лазарев В. М., Чувиков Д. А., Джха П. О перспективах создания автономных интеллектуальных роботов на основе миварных технологий // Радиопромышленность. 2016. № 4. С. 96-105. EDN: UQEVLG.
  14. В России разработали новые многофункциональные дроны "Касатка" и "Микроб" [Электронный ресурс]. URL: https://aif.ru/society/army/v-rossii-razrabotali-novyemnogofunkcionalnye-drony-kasatka-i-mikrob (дата обращения: 26.01.2025).
  15. Вырелкин А. Д., Кучерявый А. Е. Использование беспилотных летательных аппаратов для решения задач "умного города" // Информационные технологии и телекоммуникации. 2017. № 1. С. 105-113. EDN: YPQDMT.
  16. Терентьев В. Б. Метод свёртки вероятностных и параметрических показателей летательного аппарата // Фундаментальные и прикладные научные исследования: актуальные вопросы. 2019. С. 51. EDN: REXVQB.
  17. Сорокин И. А., Романов П. Н., Чесноков А. Д., Кондраненкова Т. Е. Математическая модель обработки изображений опасных и вредоносных растений с камеры БПЛА // Вестник НГИЭИ. 2023. № 5. С. 20-32. doi: 10.24412/2227-9407-2023-5-20-32. EDN: HWCSGN.
  18. Али Б., Садеков Р. Н., Цодокова В. В. Алгоритмы навигации беспилотных летательных аппаратов с использованием систем технического зрения // Гироскопия и навигация. 2022. № 4. С. 87-105. doi: 10.17285/0869-7035.00105. EDN: ETCJST.
  19. Костин А. С. Информационно-измерительные системы для контроля выполнения траектории авиационной системы // Волновая электроника и инфокоммуникационные системы: материалы XXIV Международной научной конференции. Часть 1. 2021. С. 219-226.
  20. Xu Y., Wei Y., Wang D., Jiang K., Deng H. Multi-UAV Path Planning in GPS and Communication Denial Environment // Sensors (Basel). 2023. Vol. 23. No. 6. P. 2997.
  21. Vera-Yanez D., Pereira A., Rodrigues N., Molina J.P., García A.S., Fernández-Caballero A. Vision-Based Flying Obstacle Detection for Avoiding Midair Collisions: A Systematic Review // J. Imaging. 2023. Vol. 9. P. 194.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».