Моделирование беспилотных авиационных систем
Моделирование беспилотных авиационных систем направлено на обучение пилотов (или операторов) управлению беспилотным летательным аппаратом или его полезной нагрузкой со станции управления. Моделирование полета включает в себя устройство, которое искусственно воссоздает полет самолета и среду, в которой он летает, для обучения пилотов, проектирования или других целей. Он включает в себя воспроизведение уравнений, которые определяют, как летают самолеты, как они реагируют на приложения органов управления полетом, на воздействие других систем самолета и как самолет реагирует на внешние факторы, такие как плотность воздуха, турбулентность, сдвиг ветра, облака, осадки и т. д. .
Пилотное моделирование используется по разным причинам, включая летную подготовку (в основном пилотов), проектирование и разработку самого самолета, а также исследование характеристик самолета и его управляемости. [1] В отличие от пилотируемого моделирования, при моделировании беспилотных авиационных систем (БПЛА) пилот не находится на борту тренажера.
Тренинг по моделированию беспилотных авиационных систем (БПЛА)
[ редактировать ]В пилотируемых авиасимуляторах используются различные типы аппаратного и программного обеспечения в зависимости от детализации моделирования и реалистичности, необходимой для той роли, в которой они будут использоваться. Конструкции варьируются от моделей авиационных систем на базе ПК (так называемых тренажеров для выполнения части задач или PTT) до реплик кабины для первоначального ознакомления и высокореалистичных симуляций кабины , органов управления полетом и систем самолета для более полного обучения пилотов. [2]
Использование беспилотных систем силами обороны во всем мире существенно выросло за последнее десятилетие и, как ожидается, будет продолжать значительно расти. Кроме того, беспилотные системы будут все чаще использоваться для коммерческих целей, таких как удаленная проверка трубопроводов и гидроэлектростанций , наблюдение за лесными пожарами, наблюдение за критически важными природными ресурсами, оценка стихийных бедствий и ряд других приложений. Такое увеличение использования возможностей БПЛА приводит к необходимости иметь более высококвалифицированных пилотов БПЛА, операторов датчиков и командиров миссий. [3]
Беспилотный летательный аппарат (БПЛА), широко известный как дрон и называемый Международной организацией гражданской авиации (ИКАО) дистанционно пилотируемым летательным аппаратом (RPA), представляет собой летательный аппарат без пилота-человека на борту. Его полет управляется либо автономно бортовыми компьютерами, либо дистанционным управлением пилота на земле или другом аппарате. Типичный метод запуска и восстановления беспилотного самолета осуществляется с помощью автоматической системы или внешнего оператора на земле. [4] Исторически БПЛА представляли собой простые дистанционно пилотируемые летательные аппараты, но все чаще применяется автономное управление. [5] БПЛА состоит из самого БПЛА, а также связанного с ним оборудования и программного обеспечения для запуска, восстановления и управления.
БПЛА обычно используются для военных и специальных операций, но также используются в небольшом, но растущем числе гражданских приложений, таких как охрана правопорядка и пожаротушение, а также в невоенных охранных работах, таких как наблюдение за трубопроводами. БПЛА часто предпочитают для миссий, которые слишком «скучны, грязны или опасны» для пилотируемых самолетов. [6]
Обучение моделированию БПЛА позволяет операторам БПЛА обучаться в режиме реального времени управлению БПЛА в виртуальной среде, которая является реалистичной и точной, но без рисков и ограничений реального полета. Моделирование БПЛА включает в себя:
- Имитация БПЛА: система позволяет проводить обучение как на вертолетах, так и на БПЛА с неподвижным крылом.
- Обучение на реальной наземной станции: система использует реальные данные, генерируемые автопилотом реального БПЛА, для обеспечения чрезвычайно реалистичного моделирования.
- Виртуальный мир, в котором летает БПЛА, смоделирован в 3D с помощью фототекстур и содержит все необходимые функции для моделирования миссии в оперативных условиях.
- Моделирование полезной нагрузки: система генерирует видео в реальном времени для имитации вывода полезной нагрузки как в видимом, так и в ИК-режиме. Это видео передается на реальную видеостанцию, как и в реальной системе.
- Возможности моделирования: Многоязычный интерфейс, элементы управления типа видеомагнитофона (воспроизведение вперед/назад), функции моделирования погоды, параметры отображения (панель полета, траектория БПЛА), отображение телеметрических данных. [7]
Обучение моделированию БПЛА сочетает в себе открытую архитектуру с готовым коммерческим оборудованием и программным обеспечением для моделирования, что позволяет использовать запатентованные разработки для создания комплексной, независимой от платформы системы обучения. Клиенты получают выгоду от большей гибкости для развития, создания сетей, обучения распределенным миссиям и их комбинирования в рамках интегрированной среды обучения. БПЛА — это решение, которое оптимизирует оперативную готовность, сводя к минимуму использование живых средств для обучения и подготовки интегрированной группы миссии к операциям. Комплексное решение также готовит интегрированную команду миссии (пилот, специалист по полезной нагрузке и командир) к процедурам работы платформы, интерпретации и анализу данных, а также командному взаимодействию. [3]
Обучение БПЛА в вооруженных силах США
[ редактировать ]Потенциальные пилоты БАС ВВС и операторы датчиков проходят три с половиной месяца специализированных курсов подготовки, большая часть которых является симулированной. [8] При моделированном обучении Predator операторы используют ручку ручного управления, систему руля направления и систему мониторинга, такую же, как и на живом симуляторе. Основные тренировочные базы БПЛА ВВС находятся на базе ВВС Холломан , штат Нью-Мексико, на авиабазе Кэннон , штат Нью-Мексико, на авиабазе Эллсворт , Южная Дакота, и на авиабазе Уайтмен , штат Миссури, но первоначальная летная подготовка будет проходить в Пуэбло, штат Колорадо . [9]
Солдаты армии проходят обучение на меньших по размеру и более маневренных БПЛА, таких как Raven и Puma, под руководством опытных инструкторов. Мастера-тренеры отбираются с баз по всему миру и проходят обучение в Ft. Беннинг, Джорджия. [10] Эти мастера-тренеры затем обучают подразделения на своей базе. Армейские операторы более крупных БПЛА, таких как Shadow и Grey Eagle, проводят обучение в Форт-Уачука , штат Аризона, из-за его удаленного расположения. [10] Эти операторы являются специалистами по борьбе с БПЛА одной конкретной модели. Это связано с разными возможностями и функциями каждого воздушного судна. [10] Обучение представляет собой сочетание живого и симулированного обучения для обучения новых операторов. Тренировку легко смоделировать, поскольку она практически аналогична живому обучению на самолете, которым управляет наземная станция управления (GCS). [10]
Стандартом для ВМФ было использование пилотов, которые прошли хотя бы один пилотаж, прежде чем допустить обучение управлению БПЛА. С развитием и экономичностью тренажеров ВМФ начинает обучать рядовой персонал, имеющий опыт полетов, чтобы стать операторами. [11] Капитан Патрик Смит, менеджер программы Fire Scout , заявил: «В идеале мы берем [потенциальных операторов] из сообщества SH-60 SeaHawk и добавляем их в пятинедельную программу, в основном на основе симулятора». [11] Военно-морской флот проводит обучение БПЛА в Ft. Уачука, штат Аризона, для живого моделирования или военных объектов возле реки Патаксент, штат Мэриленд, для пожарных разведчиков. [11]
В 2014 году морские пехотинцы, окончившие курс базовой школы офицеров в Квантико , штат Вирджиния, пройдут обучение управлению небольшими БПЛА (Raven и Puma). [12] БПЛА не получили широкого распространения в морской пехоте, [12] но по мере того, как БПЛА станут меньше и мобильнее, они будут более интегрированы в ресурсы миссии. Морские пехотинцы недавно начали проходить обучение в рамках группы I (до 20 фунтов) по обучению и логистической поддержке БПЛА в Кэмп-Лежене , Северная Каролина. [13]
В наличии БАС по каждому виду обслуживания:
- ВВС: MQ-1 Predator , MQ-9 Reaper и RQ-4 Global Hawk . [14]
- Армия: RQ-11 «Ворон» , RQ-7 «Тень» , RQ-5 «Охотник» , MQ-1C «Серый орел». [14] и RQ-20 Пума . [10]
- Военно-морской флот: BAMS , Firescout /VTUAV, STUAS , Scan Eagle и UCASS UAS. Планировалось, что UCASS будет заменен на UCLASS в 2015 финансовом году. [14]
- Корпус морской пехоты: RQ-7 Shadow и STUAS. [14]
Обучение БПЛА в домашнем/гражданском секторе
[ редактировать ]Пожарные, полиция, шахтеры и исследователи погоды теперь используют БПЛА (обычно называемые дронами), которые впервые использовались в военных секторах. Дроны, используемые полицией и пожарными, относятся к одному и тому же типу дронов; однако они используются для разных целей. БПЛА вышли за рамки человеческих возможностей поднимать тяжелые грузы, выполнять смелые фотографии во время сильного шторма и оцифровывать изображения, которые можно преобразовать в 3D-карты.
Исследователи погоды используют различные дроны, чтобы предсказывать погоду, фотографировать штормы и измерять температуру. Дроны очень важны для метеорологов при прогнозировании скорости и температуры ветра, направления ветра, температуры и давления воздуха (Аэрозонд Mark 4). [15] Другие дроны используются для съемки штормовых систем, даже внутри самого шторма. [16] Как и Mark 4, Global Hawk НАСА используется для измерения температуры воздуха, скорости ветра и давления, но в отличие от Mark 4 он может делать снимки штормовой системы. [16] [17]
В горнодобывающей промышленности дроны помогают шахтерам выполнять такие задачи, как проверка и техническое обслуживание, транспортировка тяжелого оборудования и даже выполнение задач 24 часа в сутки, 7 дней в неделю. Горнодобывающая промышленность использует дроны, такие как Responder и Serenity, для помощи горнодобывающим бригадам в техническом обслуживании, проверке и съемке. [15] Некоторые дроны в горнодобывающей промышленности помогают работникам фотографировать добытые отложения, чтобы их можно было рассчитать с точки зрения объема удаления и запасов отложений, классифицированных рабочими. [18]
В полиции дроны используются для подрыва бомб, реагирования на инциденты, преследования преступников в воздухе и определения местонахождения подозреваемого с помощью высокотехнологичных систем камер (Viking 400-S). [19] Другие варианты использования дронов в полиции — это запись происшествий, создание карт происшествий в виде 3D-моделей, а затем их отправка на смартфоны офицеров (Sensefly eBee). [19] Другие дроны, такие как Kaman, доставляют припасы и оборудование для офицеров, а также доставляют офицеров на место преступления и обратно. E300 используется для остановки преступников и записи происшествий. [19]
Пожарные используют одни и те же дроны, но для разных целей. Например, E300 компании ELIMCO используется для тушения пожаров, Viking 400-S использует камеру для фотографирования происшествий, а затем передает изображения обратно пожарным работникам для электронного картирования происшествий. [20] MCV компании Information Processing Systems, как и E300, используется для тушения лесных и техногенных пожаров. [20] eBee, как и его полицейский вариант, делает фотографии с помощью 16-мегапиксельной камеры, которая используется для создания 3D-моделей карт посредством интеграции технологии Google Maps. Позже его отправляют на смартфоны пожарных. «Каман», как и его полицейский вариант, используется для снабжения пожарных и пострадавших от пожаров, а также для оказания медицинской помощи. [20] Дефикоптер отправляет дефибрилляторы жертвам сердечного приступа. Чтобы найти жертву, он использует систему GPS. [17]
Обучение UAS в сфере высшего образования
[ редактировать ]Существует две основные роли или цели БАС в высшем образовании:
- Обучение и сертификация операторов БПЛА
- Исследования, связанные с БПЛА
Конкретные приложения БПЛА в школах
[ редактировать ]В Университета Северной Дакоты (UND) симуляторы используются как для сертификации операторов, так и для исследовательских целей. программе бакалавриата по аэронавтике [21] Для сертификации операторов UND использует симуляторы производителей оригинального оборудования (OEM), специфичные для конкретного транспортного средства (например, ScanEagle, MQ-8 и т. д.). Фактическая квалификационная подготовка приостановлена до тех пор, пока Федеральное управление гражданской авиации (ФАУ) не введет стандарты использования БПЛА в воздушном пространстве США. Тем не менее, студенты могут изучить основные принципы работы и то, как БПЛА будут функционировать в национальном воздушном пространстве. UND также проводит исследования, финансируемые Исследовательской лабораторией ВВС, по загрузке операторов БПЛА. В этом исследовании сравниваются экипажи, состоящие из одного оператора, и экипажи из нескольких операторов, а также системы с полным автопилотом и системы с дистанционным управлением.
Университет аэронавтики Эмбри-Риддл в Дейтона-Бич, штат Флорида, использует симуляторы в программе бакалавриата для операторов БПЛА, присуждающей степень бакалавра наук в области науки о беспилотных авиационных системах. [22] В первую очередь эта программа обучает операторов БПЛА, но она также выполняет исследовательскую роль по тестированию применения БАС в национальном воздушном пространстве.
Несколько других школ предлагают программы бакалавриата по БПЛА, не связанные с инженерией, неотъемлемой частью которых являются симуляторы. Вот некоторые примеры:
- Университет штата Индиана : специальность по беспилотным системам [23]
- Университет штата Канзас – Салина: бакалавр наук в области беспилотных авиационных систем [24]
- Государственный университет Оклахомы : вариант БПЛА для получения степени магистра или доктора наук в области машиностроения и аэрокосмической техники [25]
Агентное моделирование и моделирование БПЛА
[ редактировать ]Симуляторы БПЛА обычно ориентированы на управление и координацию полета на малых высотах с использованием сложных физических моделей, ориентированных на точность. Эти симуляторы требуют профессиональных знаний и комплексных знаний для создания, изучения и эксплуатации самого симулятора. [26] [27] Разрабатываются альтернативные симуляторы, такие как агентное моделирование и моделирование для БПЛА, особенно военными. [28]
Агентное моделирование и имитация БПЛА фокусируются на специализированных вопросах, таких как координация и планирование. Например, CoUAV. [29] Симулятор ориентирован на совместный поиск и MAS-самолеты. [30] фокусируется на обслуживании запросов путем децентрализованной координации. Агентное моделирование также использовалось для динамического моделирования полета БПЛА. [31]
Агентное моделирование и симуляция использовались для управления миссиями БПЛА. [32] [33] Для своих экспериментов авторы использовали Codarra Avatar. Codarra Avatar — это легкий БПЛА, специально созданный для небольших миссий по разведке и наблюдению. Этот БПЛА можно очень быстро собрать и разобрать и транспортировать в рюкзаке. Однако, став автономным БПЛА, Codarra Avatar сталкивается с проблемами времени полета, дальности полета, долговечности, ограниченной вычислительной мощности, ограниченных сенсорных данных, а также правил и ограничений полета. Авторы разработали архитектуру системы управления полетом агента (FCS) для решения проблем, с которыми сталкиваются БПЛА.
У FCS есть агент, который находится на вершине дерева управления, получает данные через регулярные промежутки времени и выдает команды высокого уровня для путевых точек. Агент разработан на JACK, агентно-ориентированном языке программирования . Поведение агентов, определенное с помощью JACK, структурировано на основе теории агентности BDI (Вера, Желание, Намерения). Система управления миссией разработана с использованием подхода OODA (наблюдать, ориентироваться, решать, действовать), разработанного полковником Джоном Бойдом. Авторы провели успешные испытания в Мельбурне, Австралия, используя архитектуру FCS на БПЛА Codarra Avatar. [33]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Федеральное управление гражданской авиации (25 апреля 2013 г.). «FAR 121, подраздел N — Программа обучения».
- ↑ Статья в Википедии о моделировании полета (8 мая 2014 г.). Получено из: Симулятор полета .
- ^ Jump up to: а б Руководство по подготовке экипажей беспилотных летательных аппаратов. CAE Получено с: www.fas.org/irp/doddir/.../34-212.pdf.
- ^ Тех. сержант Амаани Лайл (9 июня 2010 г.). «Официальные лица ВВС объявляют о начале подготовки пилотов дистанционно пилотируемых самолетов», www.af.mil.
- ^ Пир Зубайр Шах (18 июня 2009 г.). «Пакистан заявляет, что американский дрон убил 13 человек» . Нью-Йорк Таймс.
- ^ Тайс, Брайан П. (весна 1991 г.). «Беспилотные летательные аппараты - мультипликатор силы 1990-х годов». Журнал авиации. Проверено 6 июня 2013 года. «При использовании БПЛА обычно должны выполнять задачи, характеризующиеся тремя D: скучные, грязные и опасные».
- ^ H-SIM Получено с сайта: http://www.h-sim.com/new_uav_sims.php .
- ^ Клучи, Ф. (2004). ВВС совершенствуют программы обучения операторов БПЛА. Журнал национальной обороны. Получено с http://www.nationaldefensemagazine.org/archive/2004/May/Pages/Air_Force_Refines3555.aspx.
- ^ Закария, Т. (2013). Пилоты-дроны изучают военное искусство в отдаленном Нью-Мексико. Хаффингтон Пост. Получено с http://www.huffingtonpost.com/2013/04/23/drone-pilots_n_3137646.html.
- ^ Jump up to: а б с д и Розенберг, Зак. (2012). В фокусе: армия США переосмысливает обучение БПЛА. Получено с http://www.flightglobal.com/news/articles/in-focus-us-army-rethinks-uav-training-379178/.
- ^ Jump up to: а б с Стюарт, Дж. (2011). Пилоты дронов происходят с похожих платформ. Военно-морской флот Таймс. Получено с http://www.navytimes.com/article/20111016/NEWS/110160310/Drone-pilots-come-from-similar-platforms.
- ^ Jump up to: а б История, К. (2014). Офицеры морской пехоты тренируются с беспилотной птицей. Штаб морской пехоты. Получено с http://www.hqmc.marines.mil/News/NewsArticleDisplay/tabid/3488/Article/165596/marine-officers-train-with-unmanned-bird.aspx.
- ^ НАН. (2012). Новая школа подготовки БПЛА приветствует морских пехотинцев. Командование авиационных систем ВМФ. Получено с http://www.navair.navy.mil/index.cfm?fuseaction=home.NAVAIRNewsStory&id=5107.
- ^ Jump up to: а б с д Министерство обороны. (2012.) Отчет Министерства обороны Конгрессу о будущей подготовке, эксплуатации и устойчивости беспилотных авиационных систем. RefID: 7-3C47E5F. Получено с https://fas.org/irp/program/collect/uas-future.pdf.
- ^ Jump up to: а б Ingrobotic.com. (2014). Горное дело. http://ingrobotic.com/mining-exploration/ . ING Robotic Aviation. Опубликовано ingrobotic.com. По состоянию на 18 июля 2014 г.
- ^ Jump up to: а б Дарак, Эд. (2012). БПЛА: новый рубеж в исследованиях и прогнозировании погоды. www.weatherwise.org. http://www.weatherwise.org/Archives/Back%20Issues/2012/March-April%202012/UAVs-full.html . По погоде. Опубликовано Weatherwise.org. Март – апрель 2012 г. По состоянию на 18 июля 2014 г.
- ^ Jump up to: а б Хили, Марк. (2013).5 Применение дронов при реагировании на чрезвычайные ситуации. www.d4h.org. http://www.d4h.org/blog/post/20131014-5-Applications-for-Drones-in-Emergency-Response . D4H Технологии. Опубликовано d4h.org. 15 октября 2013 г. По состоянию на 18 июля 2014 г.
- ^ Лейн, Майкл Энн. (2013). Как горнодобывающая промышленность получает выгоду от БПЛА. www.intergraphgblogs.com. http://www.intergraphblogs.com/connect/2013/11/how-the-mining-industry-benefits-from-uavs/ . Интерграф Коннект. Опубликовано intergraphblogs.com. 5 ноября 2013 г. По состоянию на 18 июля 2014 г.
- ^ Jump up to: а б с http://www.policeone.com . (2014).5 Технологии БПЛА для полиции. http://www.policeone.com/police-products/investigation/video-surveillance/articles/7067279-5-UAV-technologies-for-police/ . PoliceOne.com. Опубликовано PoliceOne.com. 10 апреля 2014 г. По состоянию на 18 июля 2014 г.
- ^ Jump up to: а б с Робертс, Мэри Роуз. (2014). 5 дронов для тушения пожаров. www.firechief.com. http://www.firechief.com/2014/03/20/5-drone-technologies-firefighting/ . 20 марта 2014 г. Начальник пожарной охраны. Опубликовано firechief.com. По состоянию на 18 июля 2014 г.
- ^ Эксплуатация беспилотных авиационных систем. (без даты). Получено с http://aviation.und.edu/ProspectiveStudents/Undergrade/uasops.aspx.
- ^ Наука о беспилотных авиационных системах. (без даты). Получено с http://daytonabeach.erau.edu/grades/bachelor/unmanned-aircraft-systems-science/index.html.
- ^ Беспилотные системы. (без даты). Получить с http://technology.indstate.edu/uas/.
- ^ Беспилотные авиационные системы. (без даты). Получено с http://www.salina.k-state.edu/aviation/uas/.
- ^ Беспилотные авиационные системы. (без даты). Получено с https://unmanned.okstate.edu/.
- ^ Гарсия, Р.; Барнс, Л. (2009). «Симулятор нескольких БПЛА с использованием X-Plane». Избранные доклады 2-го Международного симпозиума по БПЛА, Рино, Невада, США, 8–10 июня 2009 г. Том. 57. С. 393–406. дои : 10.1007/978-90-481-8764-5_20 . ISBN 978-90-481-8763-8 .
{{cite book}}
:|journal=
игнорируется ( помогите ) - ^ Джанг М.В., Редди С., Тошич П., Чен Л. и Ага Г. (2005). Актёрское моделирование для изучения координации БПЛА. На 15-м Европейском симпозиуме по моделированию (стр. 593–601). Получено с http://www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?AD=ADA434354#page=329.
- ^ Чоппа, ТМ, Лукас, Т.В., и Санчес, С.М. (2004). Военные применения агентного моделирования. В Р. Г. Ингаллсе, М. Д. Россетти, Дж. С. Смите и Б. А. Питерсе (ред.), Материалы Зимней конференции по моделированию 2004 г. (WSC 2004).
- ^ Хаппе Дж. и Бергер Дж. (2010). CoUAV: среда моделирования совместного планирования пути поиска нескольких БПЛА. В материалах Летней конференции по компьютерному моделированию 2010 г. (SCSC 2010), Оттава, Онтарио, Канада (стр. 86–93). Сан-Диего, Калифорния, США: Международное общество компьютерного моделирования.
- ^ Пухоль-Гонсалес М., Серкидес Дж. и Месегер П. (2014). MAS-Planes: многоагентная среда моделирования для исследования децентрализованной координации команд БПЛА (демонстрация). В А. Ломушио, П. Скерри, А. Баззане и М. Хунсе (ред.), Труды 13-й Международной конференции по автономным агентам и мультиагентным системам (AAMAS 2014), 5–9 мая 2014 г., Париж, Франция ( стр. 1695–1696). Международный фонд AAMAS.
- ^ Юн, К.; Ли, X. (2014). «Исследование модели динамического моделирования полета БПЛА на основе мультиагента». Журнал программного обеспечения . 9 (1): 121–128. дои : 10.4304/jsw.9.1.121-128 .
- ^ Карим С. и Хайнце К. (2005). Опыт проектирования и внедрения автономного контроллера БПЛА на основе агента. В материалах 4-й Международной совместной конференции по автономным агентам и мультиагентным системам (AAMAS 2005) (стр. 19–26). АКМ.
- ^ Jump up to: а б Карим С., Хайнце К. и Данн С. (2004). Агентное управление миссией БПЛА. В материалах конференции 2004 г. по интеллектуальным датчикам, сенсорным сетям и обработке информации, 2004 г. (стр. 481–486). IEEE. два : 10.1109/ISSNIP.2004.1417508