Евгений Рахманов
04 марта 2025 года
Беспилотники сейчас наверно самое модное направление развития и применения техники в различных областях, особенно в военных. Перспективы их дальнейшего совершенствования и повышения эффективности многие специалисты видят в создании технологии систем управления автономных роев. Что такое автономный рой БПЛА? Каковы должны быть основные характеристики таких систем? Есть множество работ, посвященных алгоритмам поведения дронов в рое, однако алгоритмы это очень важная, но только часть общих проблем, которые возникнут при реализации систем управления автономных роев. Несомненно, что предстоит сложная и многоплановая работа даже на этапе создания технических предложений. При этом необходимо иметь ввиду, что полный цикл выполнения задач состоит из нескольких необходимых этапов, каждый из которых имеет свои особенности и свои требования к аппаратуре и алгоритмам работы распределенной системы управления роя БПЛА. В данной небольшой статье и сделана попытка посмотреть те основные моменты, которые должны быть учтены при формировании требований к разработке системы управления роем БПЛА.
«В перспективе роль наземных роботов будет только возрастать. Уже в ближайшие годы можно будет говорить об интегрированных в единую сеть беспилотных системах в воздухе, на воде и земле, выполняющих боевые задачи в рамках общего замысла»,— Андрей Белоусов
Введение
Практически все современные беспилотные летательные аппараты (БПЛА), или как их обозвали журналисты — дроны, обычно управляются дистанционно человеком. При чем, проверено, что увеличение количества одновременно и согласованно действующих дронов может существенно повысить эффективность решения боевых задач. Однако, с увеличением количества одновременно используемых дронов, прямое операторное управление становится весьма сложным. Это связано, как с недостатком большого количества операторов, так и с ограничениями, налагаемыми каналами связи. Не менее существенным недостатком такого управления в боевых условиях является и уязвимость операторов, осуществляющих непрерывное управление беспилотником по радиоканалам, засекаемым противником. . Революционным достижением в области воздушной робототехники, было бы появление роев БПЛА, использующих совместную автономность. Специалисты обоснованно считают, что, если организовать «рой» БПЛА и сделать его самоуправляемым, то есть в процессе выполнения задач рой будет сам себя контролировать и управлять, названных проблем можно во многом избежать и эффективность выполнения задач существенно повысится. Это означает, что рой беспилотников с большим количеством единиц, при выполнении задач в изменяющейся внешней обстановке, обязательно должен уметь самоорганизовываться и самоуправляться без участия оператора или при минимальном его участии.
Самоуправляемые системы являются решением с использованием технологий искусственного интеллекта в управлении сложными автономными объектами, не требуя вмешательства человека, в процессы управления, а в идеале и технического обслуживания.
Понятие самоуправляемости большое значение имеет в робототехнике, где роботы являясь сложным искусственным объектами, стали самоуправляемыми системами, которые реально могли быть использована для решения различных задач в различных областях, таких как промышленность, оборона, медицина, наука и т.д. Робототехническая, самоуправляемая система — это система, которая может самостоятельно принимать решения и действовать в соответствии с ними без вмешательства человека. В случае робота, это означает, что робот может самостоятельно определять свои цели, планировать свои действия и выполнять их. В этом направлении, очевидно, пойдет развитие и технологий СУ роев БПЛА.
Итак, система управления роем БПЛА должна иметь самоорганизующуюся архитектуру, направленную на координацию действий множества беспилотных летательных аппаратов, работающих совместно и эффективно в различных условиях. Основная задача СУ роя на всех этапах выполнения заданий — поддерживать самоорганизующуюся структуру с использованием роевого интеллекта:
- Сохранять себя, по возможности в различных внешних условиях и в условиях противодействия
- Выполнять задачи по целям, поставленным оператором в режиме самоуправления
- Обеспечивать мобильную реконфигурацию роя при изменении задачи
- Не наносить вред своей стороне
Центральным элементом СУ является сеть коммуникаций, которая должна обеспечивать БПЛА роя взаимообмен данными о своем состоянии, окружающей обстановке и координировать свои действия. СУ роя в это случае, обеспечивает динамическое реагирование на изменения в миссии и адаптацию к непредвиденным обстоятельствам. Например, в случае обнаружения препятствий любым из дронов он может мгновенно пересчитать маршрут, передав информацию остальным участникам роя. Или при потере элементов роя перестроиться так, чтобы обеспечить выполнение своей задачи.
Кроме того, для повышения надежности и безопасности операций используются системы резервирования и антикризисного управления. Эффективное взаимодействие с наземными системами управления и поддержка алгоритмов машинного обучения способствуют постоянному улучшению эффективности роя и его способности к самоорганизации.
Уже разработка требований к СУ роем БПЛА, удовлетворяющей условиям автономности и самоуправления, сложная задача, однако ее решение позволит понять, каково должно быть такое СУ, чтобы рои БПЛА стали эффективным средством для применения в самых различных сферах, включая военное дело, сельское хозяйство, охранные функции, спасательные операции и т.д.
Проблематика
Создание роев ударных беспилотников представляет собой одну из самых сложных, но многообещающих задач современных технологий в том числе и военных. Основная проблема заключается в создании эффективной автономной самоуправляемой системы управления, способной без вмешательства операторов координировать действия большого количества беспилотных летательных аппаратов. Это задача совершенно нового более высокого уровня сложности. Необходимость в высокой степени автономности взаимодействующих между собой БПЛА в рое ставит перед разработчиками систем управления массу сложных и совершенно нетривиальных задач.
В данной работе попытаемся очертить тот круг проблем, которые потребуется решить, чтобы подойти к созданию реально действующих самоуправляемых распределенных систем управления роев БПЛА.
Необходимо отметить, что все проблемы, с которыми должна справиться СУ всякого автономного роя, связаны выполнением различных подзадач на разных этапах функционирования роя. При подготовке роя к запуску, необходимо автоматическое тестирование систем каждого БПЛА и взаимодействия их в рое.
Проблемы на маршруте связаны с физическими ограничениями дронов: контроль топологии роя, навигация, учет времени полета, радиуса действия и способности преодолевать препятствия.
Не менее сложные проблемы ставит необходимость разработки эффективных алгоритмов выполнения поставленных задач, аппаратуры и алгоритмов управления ударными средствами, адаптации роя к изменяющейся среде и тактик его поведения в процессе выполнения задачи противодействий.
После выполнения задания, если это предусмотрено заданием, СУ роя должна обеспечить возврат в исходную и некоторую заданную точку местности.
Кроме решения чисто технических проблем, следует учитывать вопросы безопасности и защиты СУ от взлома. В этом случае рой дронов может стать инструментом дезинформации и даже привести к катастрофическим последствиям на поле боя. Разработка надежных средств шифрования и аутентификации является критически важной.
Наконец, этические вопросы, связанные с использованием автономных систем на поле боя, требуют многостороннего внимательного анализа. Необходимость соблюдения международных норм и стандартов в этой новой области открывает дополнительные аспекты для рассмотрения.
Безусловно, создание систем роевого управления самоуправляемых роев БПЛА, включая эффективные алгоритмы роевого управления, аппаратно программные средства, средства навигации и связи и алгоритмы тактик группового применения (для решения реальных задач), является весьма нетривиальной задачей, которой посвящено немало теоретических и практических работ. Уже не первый год азработчики БПЛА за рубежом и в РФ очень активно работают в этом направлении. Пока, сожалению, в деле проектирования роев автономных беспилотников пока больше проблем, чем надежных практических решений.
К основным техническим проблемам следует отнести прежде всего создание надежных алгоритмов поведения множества БПЛА в рое, алгоритмику принятия решений и координации своих действий, проблемы с системами связи между элементами роя и ряд других.
Кроме того, необходимо решить вопросы, связанные со сбором, обработкой и анализом информации, получаемой от каждого БПЛА в реальном времени. Неполные или искажённые данные могут привести к неверным решениям и снижению общей эффективности роя.
Не менее важным аспектом является купирование сбоев и отказов связи между отдельными БПЛА. В таких случаях системы управления должны быть способны к быстрой адаптации, чтобы компенсировать возможную потерю управляемости.
Наконец, учитывая растущие угрозы кибербезопасности, создание надежных систем защиты от внешних вмешательств тоже становится ключевой задачей для разработчиков.
Важной частью задач, возникающих при разработке систем самоуправления роев БПЛА, являет необходимость обеспечить взаимодействие с другими боевыми средствами и системами управления.
Сложность возникающих задач пока не позволила создать реальные боевые образцы роевых систем. Но работа в различных странах интенсивно ведется и как результат, есть уже ряд комплексов, проходящих испытания.
Концерн «Калашников» представляет на выставке разведывательно-ударный комплекс с управляемыми боеприпасами «Куб-СМ».
Эта новинка представляет собой мобильную установку на базе бронированной машины, способную поочередно запустить 14 ударных дронов-камикадзе и два разведчика-ретранслятора. После старта эти дроны могут взаимодействовать друг с другом в составе роя.
Аналогичные разработки сейчас ведутся и на Западе.Так в 2017 году. Военно-морская академия США выигрывает трехдневный турнир в небе над Кэмп-Робертсом над Военной академией США и Академией ВВС США в эксперименте агентства DARPA, направленном на разработку инновационной тактики для больших групп беспилотных летательных аппаратов в рамках программы Academies Swarm Challenge.
Компания Thales нашла решение для этих проблем, разработав систему COHESION. Испытания, проведённые в октябре 2024 года, показали, что система COHESION может работать на различных уровнях автономности, позволяя дронам действовать независимо, когда это необходимо, при этом оставаться под наблюдением человека в важные моменты.
16 октября 2024 года Thales провела успешные испытания дроновых роев с использованием средств ИИ, демонстрируя их автономные возможности в военных условиях, существенно снижающие нагрузку на операторов.
Вышеупомянутая системная архитектура была разработана с целью обеспечить возможность группам дронов действовать автономно даже в условиях, когда системы связи с центром управления могут быть нарушены.
Дроны, оснащённые COHESION, могут самостоятельно воспринимать и анализировать окружающую среду, обмениваться данными о целях и выполнять миссии на основе информации в реальном времени, без необходимости постоянного контроля со стороны человека.
Система COHESION от Thales позволяет операторам настраивать уровень автономии дронов в зависимости от задач. Это особенно важно в условиях, когда электронная война может нарушить связь. Теперь дроны могут действовать самостоятельно, анализируя окружающую среду и принимая решения на основе полученной информации.
Система также учитывает этические аспекты использования ИИ, что делает ее более надежной и безопасной. Thales активно работает над улучшением координации дронов для выполнения сложных миссий, что делает их незаменимыми в современных конфликтах.
На недавних испытаниях 16 октября 2024 года компания продемонстрировала, как дроновые рои могут работать с различными уровнями автономии. Можно считать, что это шаг вперед в области военных технологий. Однако на пути к созданию полностью автономных роев еще предстоит решить множество непростых проблем.