ما را در شبکههای اجتماعی دنبال کنید:
فناوری پرواز تجمعی پرنده های بدون سرنشین
در تاریخ 17 دسامبر 1903 ویلبر و ارویل رایت اولین هواپیمای قابل کنترل موتوردار و سنگین در نزدیکی کیتی هاوک کارولینای شمالی با موفقیت پرواز دادند و موجب تحولی بزرگ در جهان شدند. تاثیر اختراع آنها یک دهه بعد هنگام استفاده از هواپیما برای اولین بار در جنگ جهانی اول احساس شد. به مرور در طول تاریخ، هواپیما به عنوان یک عامل تاثیرگذار در جنگ تبدیل شد تا جایی که بعد از جنگ جهانی دوم نیروی هوایی به طور رسمی به عنوان یک شاخه جداگانه از بخش نظامی معرفی شد.
بدون شک یکی از بزرگترین تحولات سالهای گذشته در زمینه جنگ، استفاده از هواپیماهای بدونسرنشین (UAV) بوده است. هزینه پایین طراحی و تولید از یک طرف و عدم امکان وارد شدن صدمات انسانی به تیم مهاجم از طرف دیگر باعث محبوبیت هرچه بیشتر این نوع پرندهها شده است. در سالهای گذشته بارها شاهد گزارشهایی مبنی بر استفاده از UAVها برای کاربردهای نظامی در کشورهایی همچون افغانستان، عراق، یمن و سوریه بودهایم. هرچند بیشترینکاربرد نظامی این پرندهها در بخش نظارت و دیدهبانی است، با این حال ایالات متحده بارها از آن در حملات هوایی خود استفاده کرده است. بر اساس گزارشهای منتشر شده، تا اواسط سال 2017 حدود 9 هزار نفر بر اثر حملات ایالات متحده امریکا با پرندههای بدون سرنشین در کشورهای افغانستان، پاکستان، یمن و سومالی کشته یا زخمی شدهاند.
یکی از عرصههای رقابت کشورها در زمینه هواپیماهای بدونسرنشین، طراحی و ساخت پرندههایی با اندازه بزرگ است. افزایش ابعاد یک UAV به آن قابلیتهای زیادی از جمله امکان حمل محموله جنگی با حجم بیشتر را میدهد. با این حال نسل جدیدی از هواپیماهای بدون سرنشین در حال ظهور است که در ابعاد کوچک طراحی شده و بصورت خودران عمل میکنند. این پرندهها اغلب بدون نیاز به کنترلکننده انسانی عملیات مورد نظر خود را انجام میدهند و در برخی موارد از هوش مصنوعی برای یادگیری استفاده میکنند. پرندههای موردنظر معمولا در ابعادی کمتر از یک متر مربع طراحی میشوند و در اغلب موارد اندازه آنها کمی بیشتر از کف دست انسان است. حال این سوال مطرح میشود که پرندهای با این اندازه کوچک چگونه میتواند در عملیاتهای نظامی بزرگ به کار گرفته شود؟
یکی از مهمترین مزایای چنین پرندهای، هزینه کم و زمان بسیار کوتاه ساخت آنها است. قسمتهای عمدهای از یک UAV کوچک را حتی میتوان توسط پرینترهای 3 بعدی در مدت چند ساعت آماده کرد. بنابراین میتوان تعداد بسیار زیادی از آنها را با هزینه کم تولید کرد. هر چند شاید یک پرنده کوچک نتواند در عملیاتهای نظامی نقش بزرگی را ایفا کند، اما تعداد انبوهی از آنها این قابلیت را خواهند داشت.
پرواز تجمعی پرندههای کوچک
در طبیعت میتوان نمونههای زیادی از رفتارهای گروهی همچون حرکت برخی نمونه از ماهیها و پرندگان را مشاهده کرد. در سیستم حرکت گروهی، هر یک از اعضا با سایر افراد گروه و محیط اطراف خود در تعامل است. همین ایده نیز میتواند در رابطه با سیستمهای خودران همچون ربات ها و UAVها استفاده شود.
ایده پرواز گروهی تعداد زیادی از هواپیماهای بدون سرنشین کوچک برای انجام یک عملیات واحد از اوایل قرن 21 آغاز شد. گامهای اولیه در این مسیر اغلب توسط مراکز دانشگاهی و به منظور دستیابی به الگوریتمهای هدایت و کنترل پرندهها برداشته شد. با پیشرفت فناوری و دانش در این زمینه و معرفی قابلیتهای عملکردی پرواز تجمعی پرندههای کوچک، مراکز نظامی و صنعتی نیز پا به این عرصه نهادند. برخی از کشورها همچون ایالات متحده، چین و روسیه پروژههای خاصی برای دستیابی به این فناوری و استفاده از آن برای کاربردهای نظامی تعریف کردهاند.
در این ایده گروهی از هواپیماهای بدون سرنشین کوچک مانند پرواز دسته پرندگان به صورت هماهنگ باهم حرکت میکنند و برای اجرای عملیات محول شده با هم در ارتباط هستند. پرواز تجمعی UAVها میتواند در بردارنده هوش گروهی باشد که در آن قوانینی ساده رفتار هر یک از اعضا را تعریف میکند. هنگامی که هر یک از پرندهها از این رفتارهای ساده پیروی کنند، رفتارهایی یکپارچه و پیچیده ایجاد خواهد شد. برای این منظور تمامی پرندههای گروه باید همگن باشند. آنها باید مشخصات فیزیکی، برنامه یکسان و حتی حسگرهای مشابهی داشته باشند. در این میان تشابه حسگرها از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا قوانین حاکم بر رفتار گروه اغلب بر مبنای عوامل محیطی خارج از گروه است.
امروزه فناوری پرواز تجمعی در جهان در حال توسعه الگوریتمهای هوشمند برای اجرای عملیاتهای پیچیده است. بر اساس نظر آقای مایک بلیدز مدیر ارشد صنعت پرندههای بدون سرنشین شرکت فراست و سالیوان، در یک پرواز دسته جمعی 3 اصل اساسی ارتباطات، همکاری و هماهنگی وجود دارد. ارتباطات به عنوان اساس یک پرواز تجمعی اجازه انتقال اطلاعات را میدهد. در مرحله بعد اطلاعات باید با همکاری هم در سراسر گروه به اشتراک گذاشته شود. هماهنگی نیز شامل استفاده از اطلاعات به اشتراک گذاشته شده به منظور تصمیمگیری مستقل یا نیمه مستقل برای تمام یا بخشی از گروه است. به عنوان مثال در صورتی که یکی از پرندهها دچار مشکل شود، گروه باید تصمیم بگیرد که آیا نیاز به جایگزینی یک پرنده جدید بوده یا میتوان عملیات را بدون آن نیز ادامه داد.
در شماره 22 مجله اشاره شد که وزارت دفاع ایالات متحده در اکتبر سال گذشته بزرگترین مانور پرندههای بدون سرنشین مینیاتوری را با موفقیت اجرا کرده است. در این طرح 103 عدد پرنده مینیاتوری کوچک با نام پردیکس یک پرواز تجمعی را انجام دادند. این مانور هم راستا با مفهوم «سناریوهای شبکهای جنگهای آینده» وزارت دفاع آمریکا است که در آن سیستمهای مستقل به انسانها این قابلیت را میدهند تا با سرعت بیشتری تصمیم مناسب را اتخاذ کنند.
کاربرد پرواز تجمعی هواپیماهای بدون سرنشین خودران در بخش نظامی
اگرچه بحثهایی در مورد کاربردهای متفاوت استفاده از این فناوری وجود دارد، اما در واقع میتواند یک ابزار مفید برای افزایش کارایی و قدرت نظامی یک کشور با صرف هزینه کمتر باشد. پرواز تجمعی هواپیماهای بدون سرنشین در مقایسه با پرواز منفرد آنها جالب است زیرا نه تنها آنها میتوانند خود را کنترل کنند بلکه به طور همزمان مشابه دسته پرندگان یا حشرات حرکت کرده و با یکدیگر ارتباط برقرار میکنند.
پرواز تجمعی UAVهای کوچک میتواند از سه جنبه تهاجم، دفاع و پشتیبانی (نظارت و شناسایی) در بخش نظامی به کار گرفته شود. در ماموریتهای تهاجمی سیستم دفاعی دشمن با تعداد بسیار زیادی هدف بالقوه مواجه میشود. پراکندگی زیاد این اهداف میتواند موجب سردرگمی سیستم دفاعی و خنثی شدن آن شود. حتی با وجود نابود شدن برخی از این پرندهها، سایر آنها میتوانند ماموریت را انجام دهند.
در بحث دفاعی نیز استفاده از روش پرواز تجمعی بخصوص زمانی که دشمن از همین روش برای حمله استفاده کرده است، بسیار مفید خواهد بود. نیروی دریایی ایالات متحده با یک شبیهسازی قدرت دفاعی کشتیهای خود را در مقابل با حمله گروهی پرندههای بدون سرنشین مورد آزمایش قرار داده است. نتایج این شبیهسازی نشان میدهد که با وجود استفاده از سیستم دفاعی ضد UAV این کشور با نام فالانکس، با حمله 8 پرنده بطور میانگین 3 مورد از آنها میتوانند به سیستم دفاعی کشتی نفوذ کنند. با افزایش تعداد پرندهها مطمئنا نتایج قابل توجهتر خواهد بود. از اینرو نیروی دریایی ایالات متحده به دنبال طرحهایی برای دفاع با استفاده از پرواز تجمعی پرندههای بدون سرنشین است.
آقای براندون بیکر رئیس بخش توانمندیهای هدایت هواپیما از راه دور نیروی هوایی ایالات متحده از قابلیتهای بالقوه پروازهای تجمعی هواپیماهای بدون سرنشین در ماموریتهای حمله و نظارت میگوید. او پیشبینی میکند که در طول بیست سال آینده این قابلیتها عملی میشوند. بنابراین میتوان گفت پرواز تجمعی هواپیماهای بدون سرنشین میتواند یک فناوری قوی در تغییرات نظامی باشد.
نمونههای عملی
در سال گذشته بخش نظامی ایالات متحده برای اولین بار فناوری تجمعی پهپادهای کم هزینه آرایش هواپیماهای بدون سرنشین در این طرح دارای قابلیتهای فراوانی از جمله توانایی تنظیم پیکربندی برای دور شدن از مانع و بازگشت به آرایش بعد از مانور در اطراف مانع است. این مساله بسیار مهم و قابل توجه است به این دلیل که آرایش هواپیمای بدون سرنشین ممکن است در طول ماموریت با موانعی برخورد کند و از آنجا که سیستم مستقل (خودران) است نیاز است موانع موجود شناسایی شود و نحوه جلوگیری از برخورد بدون از دست دادن هواپیماهای بدون سرنشین مشخص شود. برنامه LOCUST به دلیل ترکیب قابل توجه از بهرهوری هزینه و انعطاف پذیری در پرواز تجمعی هواپیماهای بدون سرنشین یک انقلاب محسوب میشود. یک مزیت عمده این فناوری هزینه 15 هزار دلاری برای هر واحد است که در مقایسه با سایر پلتفرمهای نظامی، این هزینه به صرفه است. در حقیقت هزینه مربوط به صدها هواپیمای بدون سرنشین کوچک کمتر از هزینه مصرفی هواپیمای نظامی با سرنشین است. استفاده از این هواپیماهای بدون سرنشین در ماموریتها به دلیل قیمت ارزان آنها به صرفه است. اگر دشمن بخواهد آنها را از بین ببرد مجبور است تلاشهای زیادی برای از بین بردن تعداد به ظاهر بینهایت از اهداف کم ارزش به کار گیرد. به این دلیل که هواپیماهای بدون سرنشین به آسانی قابل جایگزین با هواپیماهای مفقود شده و از بین رفته هستند. علاوه بر این به دلیل اینکه ساخت هواپیماهای بدون سرنشین این چنینی به اندازه کافی به صرفه هستند، تعداد زیادی از آنها برای تضعیف نیروهای دشمن با هم پرواز میکنند. بنابراین اگر یکی از هواپیماهای بدون سرنشین را از بین ببرند، ناوگان میتواند همچنان به ماموریت ادامه دهد. همچنین به دلیل اینکه هواپیماهای بدون سرنشین به طور مرکزی کنترل نمیشوند، اگر یک هواپیمای بدون سرنشین حذف شود، هیچ مشکلی برای سیستم کنترل و چینش سایر پرندهها به وجود نمیآید. کشورهای دیگری نیز مشابه با ایالات متحده وارد این بازی شده و برنامههای مشخصی را برای توسعه این فناوری تعریف کردهاند. از بین آنها میتوان به چین اشاره کرد که در بهار امسال در یک نمایشگاه هوایی با به پرواز درآوردن 1000 پرنده کوچک و اجرای پروازهای تجمعی، ادعا کرده است که اگر آینده جنگها به پرواز تجمعی وابسته باشد، این کشور پیروز خواهد بود. هر چند که این تعداد پرنده تنها یک نمایش نور در شب را اجرا کردند، اما شرکت گروه فناوری الکترونیک چین (CETC[3]) در تابستان امسال طی یک مانور هوایی تعداد 119 پرنده کوچک را در پرواز تجمعی به کار گرفت. پرنده به کار گرفته شده در این مانور از هوش مصنوعی برای پرواز تجمعی بهره میبرد و هزینهای به مراتب کمتر از پرندههای به کار رفته در طرح LOCUST دارد. دولت چین نگاه ویژهای به توسعه فناوری پرواز تجمعی داشته و از آن به عنوان یکی از عناصر مهم در طرح «دستیابی سریع به فناوریهای هوش مصنوعی» یاد میکند. این طرح به صورت یک نقشهراه تدوین شده است و در آن بودجهای مشخص برای رسیدن به اهداف از طریق ایجاد مراکز تحقیقاتی در نظر گرفته شده است. هواپیماهای بدون سرنشین ساخته شده توسط CETC برای انجام پرواز تجمعی یک مقاله پژوهشی اخیرا توسط موسسه مهندسان برق و الکترونیک (IEEE) در زمینه الگوریتمهای فراشناختی منتشر شده که در آن به دنبال بهترین راهحل برای یک مساله با اطلاعات ناقص است. طبق تحقیقات انجام شده در این مقاله گونههایی مانند مورچهها، زنبورها و ماهیها به دنبال قوانین ساده هستند و روی اطلاعات محلی کار میکنند و هیچ کنترل متمرکزی ندارند به همین دلیل همگی به صورت یک واحد عمل میکنند. مهندسان از روشهای موجود در طبیعت الهام گرفته و آنها را برای پرندههای بدون سرنشین به کار میگیرند. هر هواپیمای بدون سرنشین به گونهای برنامهریزی میشود که قوانین ساده را به صورت ویژه دنبال کند. از اینرو میتوان گروهی از هواپیماهای بدون سرنشین ایجاد کرد که رفتاری مشابه کلونی مورچهها در طبیعت داشته باشند. بر اساس مقالات دیگر در IEEE سه قاعده اساسی که همه اعضای گروه هواپیماهای بدون سرنشین باید دنبال کنند شامل مطابقت با سرعت دیگر هواپیماهای بدون سرنشین، جلوگیری از برخورد و ماندن در نزدیکی دیگر هواپیماهای گروه است. این قوانین مشابه حرکت مورچههاست، چرا که هم مورچهها و هم هواپیماهای بدون سرنشین باید از قوانین اساسی پیروی کنند تا قادر به هدایت و ماندن در گروه باشند. یکی دیگر از شباهتهای بین مورچهها و هواپیماهای بدون سرنشین این است که هر دو بر اساس اطلاعات محلی حرکت میکنند. بر خلاف دیگر هواپیماهای بدون سرنشین خودران، این هواپیماها به جای استفاده از سیستم GPS با توجه به محیط اطراف خود حرکت میکنند. آخرین شباهتی که بین مورچهها و هواپیماهای بدون سرنشین است مفهوم کنترل غیرمتمرکز است. این مفهوم به این معناست که هر عضو از گروه توسط یک هواپیمای بدون سرنشین خاص دنبال نمیشود و به هیچ وجه توسط یک منبع خارجی حرکت نمیکند. در واقع یک جزء کلیدی که اجازه میدهد هواپیمای بدون سرنشین بدون کنترلکننده مرکزی عمل کند، ارتباطات درون شناختی است. اساسا هر هواپیمای بدون سرنشین دائما متوجه نزدیکی خود به اشیای دیگر در محیط اطرافش میشود و تصویری از اطراف خود میسازد. سپس هواپیماهای بدون سرنشین با اشتراک گذاری اطلاعات محلی خود یک تصویر بزرگ از محیط کلی ایجاد میکنند. بعد از آن هواپیماهای بدون سرنشین تعیین میکنند تصاویری که از محیط اطراف گرفتهاند با تصاویر هواپیماهای بدون سرنشین همسایه همپوشانی دارد یا خیر. این منجر به این میشود که هواپیمای بدون سرنشین به طور کامل محیط اطرافش را درک کند هر چند که این هواپیماها اطلاعات زیادی ندارند. از آنجا که فناوری تجمعی هواپیماهای بدون سرنشین بسیار جدید است و تفکر رباتهایی که بسیار قدرتمند هستند ترسناک است، بحث و جدال در مورد این فناوری بسیار است. هواپیماهای بدون سرنشین در سالهای آتی توانایی زیادی پیدا کردهاند و این خود میتواند دلیلی برای آسیبرسانی این نوع هواپیماها به افراد باشد. نگرانیهای اولیه در مورد تجمع هواپیماهای بدون سرنشین در زمینه نظارت و تسلیحات است. در واقع این فناوری توانایی آسیب زدن و استفاده برای راهبردهای تهاجمی مانند نظارت یا حتی سلاحهای مرگبار را دارد. این موضوع قوانین حفظ حریم خصوصی را نقض میکند و همچنین کشتارهای غیر قانونی را منجر میشود. اگرچه در این استدلال این حقیقت وجود دارد که تجمع هواپیماهای بدون سرنشین میتوانند در راههای نامطلوب به کار روند، اما مزایای پروازهای تجمعی هواپیماهای بدون سرنشین بسیار بیشتر از معایب آن است. تجمع هواپیماهای بدون سرنشین مستقل میتواند توانایی نظامی را بهبود بخشد و زندگی ساکنان و سربازان نظامی را نجات دهد. این هواپیماهای بدون سرنشین علاوه بر ماموریتهای نظامی به عنوان ابزاری در دفاع ملی مطرح میشوند. در فناوری LOCUST یک راهحل مقرون به صرفه و هوشمند برای به حداقل رساندن خطر و افزایش قدرت در عملیاتهای نظامی تهاجمی و دفاعی ارائه میشود. هزینه کم مصرفی برای این هواپیماها فرصت را برای تحقیق در مورد فناوریهای دیگر فراهم میکند. همچنین پرواز تجمعی هواپیماهای بدون سرنشین میتواند روشی ایمن برای انجام ماموریتها باشد به این دلیل که نیاز به خلبان انسانی ندارند. بنابراین زندگی افراد در معرض خطر نیست. علاوه بر این به دلیل اینکه برای دشمن بسیار دشوار است همه هواپیماها را از بین ببرد، راهی مطمئن برای انجام ماموریتها است. در نهایت اینکه این هواپیماهای بدون سرنشین میتوانند در جمعآوری اطلاعات در مورد دشمن مفید باشند زیرا میتوانند تصاویر و سیگنالهای مربوط به اهداف و محیط آنها را برای واحدهای زمینی ارسال کنند. از جمله فناوریهایی که گفته میشود در طول 40 سال آینده در هواپیما به کار گرفته میشود، پرواز دسته جمعی هواپیماهای مسافربری به سبک پرندگان است. شرکتهای هواپیمایی مدام در حال ابداع و نوآوری هستند تا بهرهوری هواپیماهایشان را بهبود بخشند. انتقال سریعتر مسافرها و بار به مقصدها و مصرف سوخت کمتر از مشغلههای اصلی ذهن این شرکتهاست. از گالری جدیدی که شرکت مشهور ایرباس منتشر کرده است میتوان به آیندهای که در انتظار فردای صنعت هواپیمایی است دست یافت. ایدهپردازی برای آتیه سفرهای هوایی، چیزی فراتر از ظاهر و طراحی هواپیماها را دربر میگیرد. ایرباس در حال بررسی طرحی کاربردی است که خطوط هوایی تازهای را به این صنعت معرفی میکند؛ خطوطی با الهام از سفرهای دستهای پرندگان. پرواز بهصورت جمعی و با آرایش (آنچنان که پرندگان از سر غریزه انجام میدهند) مزیتهایی مانند کاهش نیروی پسزننده هوا و مصرف انرژی دارد. اگر این طرح عملی شود، هر هواپیما با نرمافزار رایانهای هوشمندی تجهیز خواهد شد که مسیر و ارتفاع پرواز هواپیما را دستخوش تغییر قرار داده و بهترین مسیر دارای شرایط جوی مناسب سفر را انتخاب خواهد کرد. ایرباس اعلام کرد، لازم نیست اطلاعات کسب شده خیلی هم دقیق باشد، کافیست هواپیماها را به فاصله 20 بال از یکدیگر به پرواز دربیاورند تا از مزیتهای این روش استفاده کنند. [1] Low-Cost Unmanned Aerial Vehicle Swarming Technology (LOCUST) [2] intra-cognitive [3] China Electronics Technology Group Corporation
چگونه هواپیماهای بدون سرنشین مشابه گروه حشرات عمل میکنند؟
آیا فناوری پرواز تجمعی مفید است یا مضر؟
آینده پرواز تجمعی
اگر مطلب برای شما مفید بود آن را در شبکههای اجتماعی به اشتراک بگذارید. بسترهای خود را انتخاب کنید!
سایر مقالات علمی و محتوای آموزشی پژوهشکده اویونیک
سیستمهای اویونیک در کابین جتهای تجاری
چهار فناوری کلیدی برای آینده پهپادها (بخش دوم)
چهار فناوری کلیدی برای آینده پهپادها (بخش اول)
فناوری EFVS
نسل جدید سیستمهای کنترل پرواز شرکت کالینز Perigon
تاثیر دیجیتالی شدن سیستمهای اویونیک بر تجارت MRO
Anthem: کابین خلبان یکپارچه شرکت هانیول
مروری بر مسیر توسعه پهپاد FX450
انتصاب دکتر شهابالدین رحمانیان به سمت رئیس پژوهشکده اویونیک
