یکی از مهم‌ترین تحولات صورت گرفته در دهه دوم قرن 21، حضور گسترده هواپیماهای بدون سرنشین (UAV) در زندگی انسان‌ها است. امروزه انواع مختلفی از این هواپیماها را در نقش‌ها و کاربردهای مختلف شاهد هستیم. اگرچه این پرنده‌ها از نظر پذیرش و تولید انبوه در مراحل ابتدایی هستند اما در حال حاضر توانسته‌اند موانع مرسوم و دشوار در صنایع که پیش از این توسط فناوری‌های مشابه غیرقابل نفوذ بوده‌اند را شکست دهند.

در طی چند سال گذشته هواپیماهای بدون سرنشین به مرکزی کارآمد برای کسب و کار‌های تجاری مختلف و سازمان‌های دولتی تبدیل شده‌اند. افزایش کارایی و بهره‌وری کار، کاهش حجم کاری نیروی انسانی، کاهش هزینه‌های تولید، بهبود دقت و حل مسائل امنیتی در سطح وسیع بخش اندکی از فواید استفاده از پرنده‌های بدون سرنشین در صنایع جهانی است.

اینکه پرنده‌های بدون سرنشین از راه دور کنترل می‌شوند یا از طریق برنامه تلفن‌های هوشمند قابل دسترسی هستند، توانایی آن‌ها را در رسیدن به مناطق دور افتاده بدون نیاز به نیروی انسانی و کمترین تلاش، زمان و انرژی نشان می‌دهد. به همین دلیل این پرنده‌ها در سراسر جهان به خصوص در سه بخش نظامی، تجاری، شخصی پذیرفته شده و استفاده می‌شوند.

تاریخچه فناوری پرنده‌های بدون سرنشین و استفاده‌های امروز

بیش از دو دهه از روی کارآمدن پرنده‌های بدون سرنشین نمی‌گذرد، اما ریشه آن به جنگ جهانی اول زمانیکه ایالات متحده و فرانسه در حال توسعه هواپیماهای خودکار بدون سرنشین بودند، برمی‌گردد. در پایان این تلاش‌ها، فرانسه در واقع اولین کشوری بود که ساخت این نوع هواپیماها را در دستور کار خود قرار داد. این وسیله نوظهور vOISIN bn3 نام داشت که قادر به طی مسافتی حدود 100 کیلومتر بود.

انگیزه ساخت هواپیماهای بدون سرنشین در حین جنگ جهانی دوم به اوج خود رسید چرا که طرف‌های درگیر جنگ، از ناحیه هوا ضربات سنگینی را متحمل شده بودند. در واقع نیاز به ساخت و طراحی پهپادها و هواپیماهای بدون سرنشین که از راه دور هدایت می‌شدند، ریشه در اتفاقات تلخ تاریخی در جنگ‌های جهانی دارد.

بیشترین سرمایه‌گذاری در جهان در زمینه ساخت و تجهیز پهپادها را وزارت دفاع ایالات متحده آمریکا انجام داده‌است؛ به طوری که بین سال‌های ۱۹۹۰ تا ۱۹۹۵ حدود ۳ میلیارد دلار برای طراحی ساخت و تجهیز پهپادها هزینه کرده‌است. حادثه 11 سپتامبر 2001 باعث شد تا دولت آمریکا بودجه بیشتری را به طراحی و ساخت و تجهیز پهپادها اختصاص دهد.

هرچند کاربردهای اولیه از این هواپیماها در بخش‌های نظامی بود، اما ویژگی‌های منحصربه‌فرد آن‌ها توجه نهادهای دولتی و صنایع مختلف را به خود جلب کرد. از مهم‌ترین کاربردهای امروزی UAVها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • عکاسی هوایی برای روزنامه‌نگاری و فیلم
  • حمل و نقل و تحویل سریع
  • جمع‌آوری اطلاعات یا تامین ملزومات برای مدیریت بحران
  • عملیات جستجو و نجات
  • نقشه‌برداری جغرافیایی از زمین و مکان‌های غیرقابل دسترس
  • انجام بازرسی ایمنی
  • نظارت بر کنترل مرزی
  • ردیابی و پیش‌بینی طوفان‌ها و گردباد‌ها
  • شرکت در عملیات‌های نظامی و دفاعی
  • ارائه خدمات مخابراتی

همچنین صدها کاربرد دیگر از پرنده‌های بدون سرنشین در حال توسعه است و به دلیل سرمایه‌گذاری‌های فراوانی که روی این صنعت می‌شود، آینده این هواپیما‌ها امیدوارکننده است.

فناوری پرنده‌های بدون سرنشین نظامی

اصلی‌ترین کاربرد UAVها در بخش نظامی‌ است. به عبارتی پرنده‌های بدون سرنشین بخش مهمی از نیروهای نظامی در سراسر جهان را تشکیل می‌دهند که از آن‌ها می‌توان برای به دام انداختن هدف، ماموریت‌های جنگی، تحقیق و توسعه و عملیات‌های نظارتی استفاده کرد. بر اساس گزارش اخیر گلدمن ساکس[1] عامل اصلی هزینه‌های بخش نیروی هوایی ایالات متحده هزینه‌های مربوط به پرنده‌های بدون سرنشین است. این موسسه همچنین پیش‌بینی می‌کند که تا سال 2020 کشورهای جهان حدود 70 میلیارد دلار برای پرنده‌های بدون سرنشین هزینه می‌کنند.

هواپیماهای بدون سرنشین به علت کاهش تلفات انسانی و امکان اجرای ماموریت‌های برجسته و حساس به زمان به طور مداوم در عملیات‌های نظامی مختلف به کار گرفته می‌شوند. از ابتدای پرواز UAVها در آسمان تا به امروز شاهد استفاده از فناوری‌های مختلفی در آن‌ها بوده‌ایم. در واقع این پرنده‌ها به عنوان اولین محل استفاده و آزمایش برخی از فناوری‌ها از جمله رادارهای روزنه مصنوعی هوایی بوده‌اند.

هر چند که بسیاری از کشورها به دنبال ساخت UAVهایی با اندازه بزرگتر و وزن بیشتر هستند، اما یکی از رویکردهای جدید در حوزه هواپیماهای نظامی طراحی بر مبنای «کمتر دیده شدن» است. این عبارت لزوما به معنای ساخت هواپیماهایی با اندازه کوچک‌تر نیست، اما یکی از بهترین راهکارهای موجود برای مخفی شدن از دید دشمن، کاهش اندازه پرنده است. مخفی ماندن از دید دشمن یک کلید طلایی در نبردهای هوایی محسوب می‌شود و از این‌رو سازمان‌های دولتی آن را به عنوان یکی از عامل‌های اصلی خود به صنایع اعلام می‌کنند.

راهکارهای مختلفی برای شناسایی یک UAV توسط نیروی دشمن وجود دارد که از جمله‌ آن‌ها می‌توان به رادار، پردازش ویدئو، تصاویر حرارتی و شناسایی لینک‌های مخابراتی اشاره کرد. هر یک از این عوامل به گونه‌ای محل ورود جدید‌ترین فناوری‌های روز دنیا است. به عنوان مثال طراحی یک UAV با سطح مقطع راداری کم نیازمند کاهش اندازه آن و به این ترتیب استفاده از تجهیزات کوچک‌تر است. علاوه بر این استفاده از مواد جاذب در سطح بدنه هواپیما می‌تواند به بازگشت کمتر سیگنال‌های راداری کمک کند.

مسئله مهم دیگر اهمیت ایجاد لینک مخابراتی امن بین پرنده و ایستگاه‌های کنترل زمینی یا هوایی است. این لینک داده باید از دید دشمن مخفی باشد. شناسایی لینک مخابراتی پرنده به معنای ردگیری موقعیت آن و حتی دسترسی به اطلاعات تبادلی و نفوذ به آن است. از این‌رو طراحان با استفاده از روش‌هایی نظیر طیف گسترده با پرش فرکانسی[2] و حتی ترکیبی از آن‌ها سعی در مخفی کردن لینک مخابراتی در نویز محیط و ارسال حداقل توان مورد نیاز برای دریافت سیگنال دارند.

نکته قابل اهمیت دیگر برای یک UAV مداومت پروازی آن است. در پرنده‌هایی که از موتورهای الکتریکی استفاده می‌کنند میزان توان ذخیره شده در باتری‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. استفاده از باتری‌های لیتیوم پلیمر توانسته است تا حد زیادی مداومت پروازی را افزایش دهد. با این حال تلاش‌های زیادی برای دستیابی به فناوری‌هایی به منظور کاهش مقدار مصرف موتورهای الکتریکی و همچنین سیستم‌های الکترونیکی انجام می‌شود. اخیرا نیز ناسا اقدام به بررسی استفاده از باتری‌های لیتیوم ایر برای کاربردهای هوایی کرده است. این نوع باتری‌ها می‌توانند تا 10 برابر انرژی بیشتری را نسبت به نسل فعلی باتری‌ها در خود ذخیره کنند.

از دیگر فناوری‌های مهم که اخیرا در بخش نظامی هواپیماهای بدون سرنشین از آن استفاده می‌شود باید به پرواز تجمعی اشاره کرد. پرواز هماهنگ تعداد زیادی هواپیمای کوچک می‌تواند شرایط را در میدان جنگ برای نیروهای دشمن سخت کند. در همین نسخه از مجله به طور مفصل به ویژگی‌ها و قابلیت‌های پرواز تجمعی UAVها پرداخته‌ایم.

استفاده از معماری‌های باز و سخت‌افزارهای الکترونیکی ماژولار به افزایش قابلیت اطمینان و تسهیل عملیات‌ تعمیر و نگهداری UAVهای بزرگ کمک شایانی می‌کند. اینگونه معماری‌ها همچنین شرایط را برای توسعه‌های آینده هواپیما آماده می‌کنند.

فناوری پرنده‌های بدون سرنشین تجاری و صنعتی

امروزه کار با پرنده‌های بدون سرنشین بخشی از عملیات روزانه تجاری صنایع مختلف است. از این‌رو می‌توان در مورد استفاده مداوم و سودمند از پرنده‌های بدون سرنشین در صنایع تجاری ساعت‌ها صحبت کرد. به گفته BI Intelligence سرویس تحقیقاتی Business Insider’s نرخ رشد سالیانه بازار پرنده‌های بدون سرنشین تجاری و غیرنظامی بین سال‌های 2015 تا 2020 تا 19 درصد در مقایسه با نرخ 5 درصدی بخش نظامی رشد خواهد کرد.

صنعت پرنده‌های بدون سرنشین هنوز جوان است با این حال اتحاد و سرمایه‌گذاری با برخی از شرکت‌های بزرگ از جمله شرکت‌های صنعتی، شرکت‌های مشاوره فناوری اطلاعات و پیمانکاران اصلی دفاع و پدافند را آغاز کرده است. با افزایش سفارشات هواپیماهای بدون سرنشین در صنایع مختلف، شرایط برای ارائه قابلیت‌های جدید در محدوده وسیع فراهم شده است. از این‌رو به زودی پرنده‌های بدون سرنشین پیشرفته می‌توانند کارهای روزمره مانند بارگیری محصول به صورت خودکار، نظارت بر حوادث ترافیکی، بررسی مکان‌های سخت دور از دسترس و سفارش غذا را انجام دهند. به گفته AUVSI در پایان هر روز پرنده‌های بدون سرنشین تجاری می‌توانند با 82 میلیارد دلار و ارتقاء 100 هزار شغل روی اقتصاد ایالات متحده تا سال 2025 تاثیر داشته باشند.

در بخش تجاری و صنعتی علاوه بر UAVهای بال ثابت، شاهد حضور گسترده پرنده‌های بال متحرک کوچک هستیم. قابلیت برخاست عمودی پرنده‌های بال متحرک نیز محل استفاده برخی از فناوری‌های جدید است. در این نوع هواپیماها نیروی محرکه از طریق انرژی الکتریکی تامین می‌شود و بنابراین مدیریت صحیح انرژی از اهمیت بالایی برخوردار است. کاهش وزن پرنده به طور قابل ملاحظه‌ای به مصرف کمتر توان الکتریکی کمک خواهد کرد. علاوه‌ بر این انتخاب صحیح سخت‌افزارهای الکترونیکی و ارتفاع مناسب برای پرواز می‌توانند منجر به کاهش مصرف انرژی شوند.

از آنجا که برخی از موارد استفاده UAVها مربوط به مکان‌های عمومی و در حضور افراد است، معیار قابلیت اطمینان از اهمیت زیادی برخوردار است. مشکلات بالقوه این هواپیماها باید از قبل شناسایی و راهکارهای مواجهه با آن برنامه‌ریزی شود.

استفاده از حسگرهای پیشرفته تشخیص دما، نور، گاز، سیگنال‌های الکترومغناطیسی و همچنین بهره‌گیری از دوربین‌های تصویربرداری با کیفیت بالا برخی از نیازمندی‌های صنعت هستند که باید به آن پرداخته شود. امکان ایجاد ارتباط با پرنده و کنترل آن با دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل همچون تبلت و گوشی‌های موبایل نکته دیگری است که طراحان باید به آن توجه ویژه‌ای داشته باشند.

فناوری پرنده‌های بدون سرنشین شخصی

با افزایش فروش پرنده‌های بدون سرنشین غیرنظامی نگرانی‌های ایمنی در مورد آن‌ها از سوی تنظیم‌کننده‌ها و مجریان قانون رو به افزایش است. این نگرانی‌ها با دیدن صحنه‌های برخورد پرنده‌های بدون سرنشین با هواپیمای دیگر و سقوط در ورزشگاه‌های شلوغ بیشتر شده است. با این حال با فروش 8/2 میلیون هواپیمای بدون سرنشین غیرنظامی در سال 2016 انتظار می‌رود درآمد حاصل از فروش به 953 میلیون دلار برسد. سرویس تحقیقاتی BI Intelligence انتظار دارد فروش پرنده‌های بدون سرنشین در سال 2021 به 12 میلیارد دلار برسد. در این میان سهم فروش هواپیماهای بدون سرنشین شخصی برای فیلمبرداری، ضبط، عکاسی و بازی برای علاقمندان به این‌ فناوری‌ها کم نخواهد بود. پرنده‌های بدون سرنشین در همه اشکال و اندازه‌ها طراحی و تولید می‌شوند. در حالیکه در ابتدا از این هواپیما‌ها بیشتر برای سرگرمی استفاده می‌شد، اما به طور گسترده در کاربردهای دیگر مورد استفاده قرار گرفتند و به سرعت در بازار در حال رشد هستند. به طوریکه مصرف‌کنندگان در طول چند سال آینده 17 میلیارد دلار برای پرنده‌های بدون سرنشین هزینه خواهند کرد.

از آنجا که مشتریان پرنده‌های بدون سرنشین شخصی بیشتر تمایل به کاربردهای تصویربرداری و سرگرمی‌ دارند، تمرکز فناوری نیز به آن اختصاص دارد. در حال حاضر ایجاد قابلیت تصویربرداری 360 درجه‌ای و کنترل مستقیم پرنده با تلفن‌های همراه از مهم‌ترین روندهای بازار محسوب می‌شوند. از نکات قابل ملاحظه دیگر در این بخش تولید محصولاتی با اندازه‌های بسیار کوچک و ثبات پروازی بالا است.

فناوری پرنده‌های بدون سرنشین آینده

فناوری پرنده‌های بدون سرنشین به طور مداوم در حال تکامل است و در آینده پیشرفت‌های رو به جلویی خواهند داشت. به گزارش وبسایت airdronecraze (از زیر مجموعه‌های شرکت آمازون) فناوری پرنده‌های بدون سرنشین دارای هفت نسل بالقوه است که اکثر فناوری‌های فعلی در نسل‌های پنجم و ششم قرار دارند.

  • نسل اول: هواپیمای کنترل از راه دور پایه در همه اشکال
  • نسل دوم: طراحی استاتیک، پایه دوربین ثابت، ضبط ویدئو و عکس، کنترل هدایت (خلبان) دستی
  • نسل سوم: طراحی استاتیک، گیمبال دو محوره[3]، ویدئو HD، مدل ایمنی پایه، کمک به خلبان
  • نسل چهارم: طرح‌های قابل‌تغییر، گیمبال‌های سه محوره، ویدئو 1080P HD، حالت‌های ایمنی بهبود یافته، مد خلبان خودکار
  • نسل پنجم: طرح‌های قابل‌تغییر، گیمبال‌های 360 درجه، ویدئو 4K، مد‌های خلبان هوشمند
  • نسل ششم: سازگاری تجاری، طراحی مبتنی بر استانداردهای مقرراتی و ایمنی، سازگاری ظرفیت، حالت‌های ایمنی خودکار، حالت‌های خلبان هوشمند و خودمختاری کامل، آگاهی از فضای هوایی
  • نسل هفتم: سازگاری تجاری کامل، طراحی مبتنی بر استانداردهای مقرراتی و ایمنی کاملا منطبق، قابلیت تعویض‌پذیری پلتفرم و ظرفیت، حالت‌های ایمنی خودکار، حالت‌های خلبان هوشمند پیشرفته و خودمختاری کامل، آگاهی کامل از فضای هوایی، اقدام خودکار (برخاستن، فرود و اجرای ماموریت)

در حال حاضر کار بر روی نسل بعدی پرنده‌های بدون سرنشین یعنی نسل هفتم در حال انجام است. شرکت 3DRobotics اولین هواپیمای بدون سرنشین همه منظوره در جهان را با عنوان Solo معرفی کرد. سیستم‌های ایمنی درونی و فناوری سازگار، حسگر‌های دقیق هوشمند و امکان خود نظارتی بودن انقلاب بزرگی در فناوری پرنده‌های بدون سرنشین است که فرصت‌های جدیدی در زمینه حمل و نقل، نظامی، تدارکات و بخش‌های تجاری فراهم می‌کند. نکته قابل توجه این است که با رشد و تکامل فناوری‌ها ایمنی و اطمینان از پرنده‌های بدون سرنشین بیشتر می‌شود.  با یک مرور کلی از روند جهانی تحول UAVها می‌توان گفت محور اصلی تلاش‌ها هوشمندسازی این پرنده‌ها است. استفاده از هوش مصنوعی در پرنده‌های بدون‌سرنشین آغازی بر گسترش همگانی و فراگیر شدن آن‌ها است.

خودمختار بودن و هوش مصنوعی زمینه‌های استفاده فراوانی را در بخش نظامی و تجاری برای این پرنده‌ ایجاد می‌کند. نظارت دقیق‌تر بر مرزهای کشور و بهره‌وری بیشتر در عملیات‌های جستجو و نجات از طریق این فناوری‌ها امکان‌پذیر خواهند بود. علاوه‌ بر این در بخش خدمات شهری، پرنده‌های هوشمند می‌توانند در کنترل ترافیک و ارائه مسیرهای بهینه به شهروندان کمک کنند. هر چند امروزه نیز پرنده‌های بدون‌ سرنشین در برخی از این کاربردها دیده می‌شوند، اما انتظار می‌رود تا با بلوغ فناوری‌هایی همچون پردازش تصویر هوایی، هوش مصنوعی و اینترنت اشیاء شرایط برای استفاده گسترده از آن‌ها فراهم شود.

شرکت BI Intelligence پس از چند ماه تحقیق و بررسی بیشترین و دقیق‌ترین فناوری‌های هواپیماهای بدون سرنشین را در گزارشی با عنوان The Drones Report ارائه کرده است. در این گزارش پیش‌بینی‌های بازار، بازیکنان کلیدی و موارد استفاده و موانع نظارتی برای گسترش هواپیمای بدون سرنشین آورده شده است.

[1] Goldman Sachs

[2] Frequency-hopping spread spectrum

[3] گیمبال قطعه ای لرزشگیر برای تصویربرداری هوایی کوادروتور است