FORMAL MODEL OF SCENARIO-PRECEDENT COORDINATION OF HETEROGENEOUS UNMANNED AERIAL VEHICLE ENSEMBLES AND ITS ADAPTATION ALGORITHM IN DYNAMIC ENVIRONMENTS

Authors

DOI:

https://doi.org/10.35546/kntu2078-4481.2026.1.53

Keywords:

unmanned aerial vehicles; heterogeneous ensembles; multi-agent systems; UAV coordination; scenarioprecedent approach; formal model; precedent base; adaptive algorithms; reinforcement learning; distributed control; similarity metric; autonomous systems; reconnaissance; observation; territory monitoring

Abstract

This article addresses the problem of coordinating heterogeneous ensembles of unmanned aerial vehicles (UAVs) in dynamic and uncertain environments using a scenario-precedent approach. Unlike previous studies, which primarily focused on the conceptual system model and general architectural principles, this work emphasizes the formal mathematical specification of the key components of the approach. In particular, a formal model of a mission execution scenario, a precedent structure, and the organization of a precedent base are proposed, enabling the systematic representation and reuse of accumulated experience in typical UAV group missions. The study develops a model oriented toward three basic types of UAVs – micro quadcopters, medium multirotor UAVs, and fixed-wing aircraft – each characterized by distinct technical capabilities, environmental resilience, and functional roles. The model aims to support effective coordination during reconnaissance, observation, and territory monitoring missions, which require synchronized role distribution, rapid trajectory adjustment, and adaptive agent behavior. The article introduces a similarity metric that allows estimating the correspondence between the current environmental state, UAV parameters, and mission execution conditions recorded in the precedent base. Based on this metric, an algorithm for selecting a relevant scenario from the precedent base is proposed, along with a real-time scenario adaptation mechanism leveraging reinforcement learning principles. This enables flexible scenario correction in response to changes in external conditions and individual agent behavior. The results of the study demonstrate that the formalized scenario-precedent model provides a foundation for building robust, adaptive, and scalable coordination systems for heterogeneous UAV ensembles. The proposed solutions form the theoretical basis for further simulation studies, experimental validation, and comparative analysis with existing coordination methods in complex, dynamic, and uncertain environments.

References

Гусєв В. М., Шерстюк В. Г., Левківський Р. М., Сокол І. В. Модель сценарно-прецедентного керування спільним рухом великих гетерогенних ансамблів безпілотних апаратів. Проблеми інформаційних технологій. 2019.№ 25. С. 4–17.

Артюшин Л. Аналіз перспектив реалізації групового застосування груп безпілотних літальних апаратів. Загальні проблеми оборони і автоматизації. 2023. № 19. С. 42–48.

Романюк В. А. Методологічні основи синтезу системи управління групою (роєм) безпілотних літальних апаратів. Сучасні інформаційні системи та технології. 2025. № 2. С. 156–172.

Компанієць О. М., Клюшніков І. М., Касаткін М. В. Моделювання синергетичного безконфліктного руху рою БПЛА метаевристичними підходами. Випробування та сертифікація. 2024. № 3. С. 40–47.

Koval D. Метод технічного обґрунтування вимог до виявлення-розділення груп безпілотних літальних апаратів. Сучасні інформаційні технології. 2020. № 3. С. 33–38. 6. Самойленко В. М. Обґрунтування застосування автономних безпілотних літальних апаратів, оснащених оптико-електронною системою навігації, для виконання завдань підрозділами Національної гвардії України. Честь і Закон. 2023. № 4. С. 83–91.

Guo J., Cao Y. Centralized control strategies for UAV swarm coordination: A survey. IEEE Signal Processing Letters. 2020. Vol. 27. P. 1345–1349.

Olfati-Saber, R. Flocking for multi-agent dynamic systems: Algorithms and theory. IEEE Transactions on Automatic Control. 2006. Vol. 41. P. 483–495.

Brambilla M., Ferrante E., Birattari M., Dorigo M. Swarm robotics: a review from the swarm engineering perspective. Swarm Intelligence. 2013. Vol. 7. P. 1–41.

Yan Z., Jouandeau N., Cherif A. A. A survey and analysis of multi-robot coordination. International Journal of Advanced Robotic Systems. 2013. Vol. 10.

Zhang K., Yang Z., Basar T. Multi-agent reinforcement learning: A selective overview. arXiv. 2021. P. 1–73 URL: https://arxiv.org/pdf/1911.10635 (дата звернення 18.11.2025).

Rahman M., Sarkar N. I., Lutui R. A Survey on Multi-UAV Path Planning: Classification, Algorithms, Open Research Problems, and Future Directions. Drones. 2025. P. 1–32. URL: https://www.mdpi.com/2504-446X/9/4/263 (дата звернення 22.11.2025).

Published

2026-04-30