Владимир Фетисов - Беспилотная авиация: терминология, классификация, современное состояние
Хорошим примером является единая автоматизированная система одновременного управления несколькими типами БПЛА ZaNET, разработанная компанией ZALA AERO (г. Ижевск), обеспечивает возможность пользователю управлять множеством БПЛА с любой точки земли (рис. 1.86). Использование системы целесообразно, когда место запуска БПЛА и место получения целевой информации с борта и управление им необходимо географически разнести.
ZaNET представляет собой единую автоматизированную систему управления тактическим БАК с возможностью интеграции в общую систему управления войсковыми соединениями.
Платформа позволяет управлять несколькими типами БПЛА одновременно, при этом отдельная оперативная группа посредством наземной станции управления (НСУ) может получать информацию (видео/фото) от беспилотных аппаратов, выполняющих полетное задание в другом районе и управляемых с другой НСУ, централизованно анализируя поступающую информацию для принятия оперативных решений. При этом НСУ интегрируется в сеть как сервер с защищенным доступом.
Все БПЛА и наземные станции управления связаны между собой посредством Ethemet-радиоканала связи. Также доступно удаленное управление БПЛА с разделением прав пользователей [69].
Другим примером является проект SMAVNET (Swarming Micro Air Vehicle Network) швейцарского института EPFL в г. Лозанне [70]. Он посвящен созданию управляемых групп согласованно работающих малых беспилотных самолетов, которые могут обмениваться информацией между собой по протоколу ZigBee (рис. 1.87).
Рис. 1.86. Автоматизированная система ZaNET, предназначенная для одновременного управления несколькими типами БПЛА
Управление этими летающими роботами осуществляется централизованно; т.е. с наземного пункта управления команда передается на один из БПЛА, а затем она распространяется в "стае" благодаря локальной сети. На каждом самолете установлена мобильная платформа Toradex Colibri РХА270, а в качестве операционной системы используется Linux.
Рис. 1.87. SMAVNET – система управления "стаей" БПЛА на основе протокола ZigBee
К этому же классу централизованных управляемых систем можно отнести большую часть других часто упоминаемых в иностранной литературе "стай" (swarms). Часто в таких системах функцию ЦПУ выполняет смартфон или ноутбук [71]. Подобные примеры демонстрируют наряду с самой возможностью управления несколькими малоразмерными БПЛА с помощью одного портативного устройства проблему нехватки алгоритмического обеспечения для таких групповых полетов.
Существует другой подход планирования действий комплекса: каждый компонент должен самостоятельно решать задачу планирования своих действий на основе информации о текущей ситуации в среде, текущих состояниях и действиях других компонентов комплекса на небольшой интервал времени вперед [68].
Такой метод коллективного планирования действий может быть реализован с помощью распределенной (децентрализованной) системы, в которой каждый компонент Rj обладает своим процессорным узлом ПУj (рис. 1.85, б). Процессорные узлы всех компонентов комплекса связаны между собой информационными каналами по принципу «каждый с каждым», по которым передается информация о текущих состояниях Ј • остальных компонентов и выбираемых ими действиях.
Такой подход ориентирован на управление группой однотипных объектов, стремящихся выполнить одну общую цель. Объединение информационно-управляющих комплексов нескольких БПЛА в единую сеть позволяет производить комплексную обработку всей получаемой информации, а распределенная структура системы повышает ее надежность [72]. Один из обязательных принципов траекторного управления такой группой состоит в соблюдении некоторых установленных дистанций между управляемыми БПЛА, как и то, что все они являются взаимозаменяемыми с точки зрения достижения поставленной перед комплексом цели. В более сложных ситуациях (различные БПЛА и закономерности их взаимодействия друг с другом) требуется более сложная система управления комплексом [73].
1.3.3. Система управления БАК
Всю систему автоматического управления авиационным комплексом (АК) можно представить в виде иерархической структуры, показанной на рис. 1.89. Здесь стрелками показаны сигналы: управляющие (сверху вниз) и информационные (снизу вверх). На рисунке показаны три уровня автоматического управления АК и модели, используемые при формировании управляющих воздействий, а также верхний уровень управления, всю работу на котором выполняет человек-оператор. Следует отметить, что оператор, как правило, имеет возможность управлять любым из низлежащих уровней, задавая:
– текущую задачу для СУАК;
– действие для конкретного БПЛА;
– требуемое значение какого-либо параметра состояния БПЛА.
При этом всю необходимую информацию о состоянии компонентов БАК (помимо визуальной из окружающего пространства) оператор получает через средства отображения информации (СОИ), как правило, входящие в состав СУАК.
Рис. 1.89. Уровни управления авиационным комплексом
На уровне оператора используется модель авиационного комплекса, включающая описание:
– задач, которые способен выполнять комплекс;
– условий применения и областей достижимости АК;
– имеющихся ЛA, их полезной нагрузки и центральной системы управления комплексом;
– коммуникаций между компонентами комплекса.
Модель АК как средства для решения некоторого множества задач можно представить следующим образом:
Mod (1) = {T,E,R}, (1.1)
где Т =(Т1,Т2 …,Тq) – множество задач, выполняемых комплексом;
Е = (Е1, Е2 ..., Ej)– параметры состояния окружающей среды (условия применения комплекса);
R = (R1,R2 ,…,Rn ) – множество компонентов, составляющих АК: ЛA, взлетно-посадочные устройства; устройства связи и управления.
На этом уровне решаются следующие задачи:
– назначение задачи сеанса функционирования АК;
– назначение конкретных ЛA для использования;
– обозначение основных ограничений и дополнительных условий.
Критерием качества управления на этом уровне может служить способность БАК выполнить поставленную задачу (совокупность задач) в определенных условиях за ограниченное время (t ‹= tзад )
I(1) = {T,E,t}.
Система управления АК может иметь различное базирование [66], но наземное расположение является самым простым и распространенным. На этом уровне используются модели описания:
– ЛA в составе комплекса, их основных ЛTX и функциональных возможностей, а также динамических характеристик других подвижных компонентов;
– назначенной задачи сеанса функционирования комплекса;
– количества ЛA, а также степень возможной замены одних компонентов (например, вышедших из строя) другими. Модель АК как совокупности разнородных компонентов, решающих свои собственные задачи в рамках общей стоящей перед комплексом цели можно представить следующим образом:
Mod(2) = {S,A,J,E}, (1-2)
где S = (S1,S2 ,…,Sn ) – множества параметров состояний компонентов комплекса, прежде всего координат их местонахождения;
A = (A1 ,A2 ,…,An) – множества действий компонентов, включая алгоритмы решения типовых задач из множества Т;
J = (J1,J2 ,…,Jn ) – множества, характеризующие каждый компонент в качестве исполнителя подзадач из множества Т. При этом необходимо учесть летно-технические характеристики имеющихся БПЛА и их целевой нагрузки для выполнения конкретной задачи [74].
Решаемые задачи:
– построение решения поставленной перед АК задачи в виде совокупности подзадач, решаемых каждым ЛА в составе комплекса;
– составление плана полета для каждого ЛA, а также перечня действий в определенных точках с учетом топливновременных ограничений;
– согласование движения нескольких ЛА в составе АК, если это необходимо.
Критерий качества управления на этом уровне можно сформулировать как оценку решения каждым БПЛА поставленной перед ним задачи с определенным уровнем эффективности:
I(2) = {T,J}
Следующие два уровня реализуются непосредственно на борту ЛА. Соответственно, перечисленные ниже характеристики могут иметь количественные различия в зависимости от типоразмера и выполняемой ЛА задачи.
Траекпгорный уровень управления содержит подробное описание движения ЛА, в том числе и возможный разброс значений основных параметров при их выполнении. Таким образом, модели этого уровня содержат следующие сведения:
