محاكاة نظام الطائرات بدون طيار

يركز نظام محاكاة الطائرات بدون طيار على تدريب الطيارين (أو المشغلين) على التحكم في طائرة بدون طيار أو حمولتها من محطة تحكم. تتضمن محاكاة الطيران جهازًا يُعيد إنشاء مسار طيران الطائرة والبيئة المحيطة بها بشكل اصطناعي لأغراض تدريب الطيارين، أو التصميم، أو غيرها. ويشمل ذلك محاكاة المعادلات التي تحكم كيفية طيران الطائرات، وكيفية استجابتها لتطبيقات أدوات التحكم في الطيران، وتأثيرات أنظمة الطائرة الأخرى، وكيفية تفاعل الطائرة مع العوامل الخارجية مثل كثافة الهواء، والاضطرابات الجوية، وقص الرياح ، والغيوم، والهطول، وما إلى ذلك.

تُستخدم المحاكاة المأهولة لأسباب متنوعة، منها تدريب الطيارين على الطيران (وخاصةً الطيارين)، وتصميم وتطوير الطائرات نفسها، والبحث في خصائص الطائرات وجودة التحكم فيها. ^{[ 1 ]} وعلى عكس المحاكاة المأهولة، لا تتضمن محاكاة أنظمة الطائرات بدون طيار وجود طيار على متن جهاز التدريب.

تستخدم أجهزة محاكاة الطيران المأهولة أنواعًا مختلفة من الأجهزة والبرامج، وذلك تبعًا لمستوى التفاصيل والواقعية المطلوبة في المحاكاة للدور الذي ستؤديه. وتتراوح التصاميم من نماذج لأنظمة الطائرات تعتمد على أجهزة الكمبيوتر المحمولة (وتسمى أجهزة التدريب على المهام الجزئية أو PTTs)، إلى نماذج مصغرة لقمرة القيادة للتعريف الأولي، وصولًا إلى محاكاة واقعية للغاية لقمرة القيادة وأدوات التحكم في الطيران وأنظمة الطائرات لتدريب الطيارين بشكل أكثر شمولًا. ^{[ 2 ]}

شهد استخدام الأنظمة غير المأهولة من قبل القوات الدفاعية عالميًا نموًا كبيرًا خلال العقد الماضي، ومن المتوقع أن يستمر هذا النمو بشكل ملحوظ. إضافةً إلى ذلك، سيزداد استخدام هذه الأنظمة في التطبيقات التجارية، مثل الفحص عن بُعد لخطوط الأنابيب ومحطات الطاقة الكهرومائية ، ومراقبة حرائق الغابات، ورصد الموارد الطبيعية الحيوية، وتقييم الكوارث الطبيعية، وغيرها من التطبيقات. ويؤدي هذا التوسع في استخدام قدرات أنظمة الطائرات بدون طيار إلى الحاجة إلى المزيد من الطيارين ذوي المهارات العالية، ومشغلي أجهزة الاستشعار، وقادة المهام. ^{[ 3 ]}

الطائرة بدون طيار (UAV)، والمعروفة أيضًا باسم الدرون، والتي تُسمى في منظمة الطيران المدني الدولي (ICAO) بالطائرة المُسيّرة عن بُعد (RPA)، هي طائرة لا يوجد على متنها طيار بشري. يتم التحكم في طيرانها إما بشكل مستقل بواسطة أجهزة كمبيوتر مُدمجة أو عن طريق تحكم عن بُعد من قِبل طيار على الأرض أو في مركبة أخرى. وتعتمد طريقة الإطلاق والاستعادة النموذجية للطائرة بدون طيار على نظام آلي أو مُشغل خارجي على الأرض. ^{[ 4 ]} تاريخيًا، كانت الطائرات بدون طيار عبارة عن طائرات بسيطة تُسيّر عن بُعد، ولكن يتم استخدام التحكم الذاتي بشكل متزايد. ^{[ 5 ]} يتكون نظام الطائرات بدون طيار (UAS) من الطائرة نفسها، بالإضافة إلى الأجهزة والبرامج المُصاحبة للإطلاق والاستعادة والتحكم.

تُستخدم الطائرات المسيّرة عادةً في التطبيقات العسكرية وعمليات القوات الخاصة، ولكنها تُستخدم أيضاً في عدد قليل ولكنه متزايد من التطبيقات المدنية، مثل أعمال الشرطة ومكافحة الحرائق، وأعمال الأمن غير العسكرية مثل مراقبة خطوط الأنابيب. وغالباً ما تُفضّل الطائرات المسيّرة في المهام التي تُعتبر "مملة أو متسخة أو خطيرة" بالنسبة للطائرات المأهولة. ^{[ 6 ]}

يُمكّن التدريب على محاكاة الطائرات بدون طيار مشغلي هذه الطائرات من التدرب في الوقت الفعلي على تشغيلها في بيئة افتراضية واقعية ودقيقة، ولكن دون مخاطر وقيود الطيران الحقيقي. تشمل محاكاة الطائرات بدون طيار ما يلي:

• محاكاة الطائرات بدون طيار: يسمح النظام بالتدريب على كل من الطائرات بدون طيار ذات الأجنحة الثابتة والطائرات بدون طيار ذات الأجنحة المروحية.
• التدريب باستخدام المحطة الأرضية الفعلية: يستخدم النظام بيانات حقيقية تم إنشاؤها بواسطة الطيار الآلي للطائرة بدون طيار الفعلية لتوفير محاكاة واقعية للغاية.
• تم تصميم العالم الافتراضي الذي تحلق فيه الطائرة بدون طيار بتقنية ثلاثية الأبعاد باستخدام نسيج الصور، ويحتوي على جميع الميزات اللازمة لمحاكاة مهمة في ظروف التشغيل.
• محاكاة الحمولة: يقوم النظام بتوليد فيديو في الوقت الفعلي لمحاكاة مخرجات الحمولة في كل من الوضع المرئي والأشعة تحت الحمراء. ويتم بث هذا الفيديو إلى محطة الفيديو الفعلية كما هو الحال في النظام الحقيقي.
• ميزات المحاكاة: واجهة متعددة اللغات، عناصر تحكم من نوع جهاز الفيديو (إعادة التشغيل للأمام/للخلف)، وظائف محاكاة الطقس، خيارات العرض (لوحة الطيران، مسار الطائرة بدون طيار)، عرض بيانات القياس عن بعد . ^{[ 7 ]}

يجمع التدريب على محاكاة الطائرات بدون طيار بين بنية مفتوحة وأجهزة وبرامج محاكاة جاهزة للاستخدام التجاري، مما يُسهّل استخدام التصاميم الخاصة لتوفير نظام تدريب شامل ومستقل عن المنصة. يستفيد العملاء من مرونة أكبر في التطوير والربط الشبكي والتدريب الموزع على المهام والدمج ضمن بيئة تدريب متكاملة. تُعدّ الطائرات بدون طيار حلاً يُحسّن الجاهزية التشغيلية مع تقليل استخدام الأصول الحية لتدريب فريق المهمة المتكامل وإعداده للعمليات. كما يُهيئ هذا الحل الشامل فريق المهمة المتكامل (الطيار، وأخصائي الحمولة ، والقائد) في إجراءات تشغيل المنصة، وتفسير البيانات وتحليلها، والتفاعل بين أعضاء الفريق. ^{[ 3 ]}

يخضع الطيارون المحتملون لأنظمة الطائرات بدون طيار ومشغلو أجهزة الاستشعار في القوات الجوية لدورات تدريبية متخصصة لمدة ثلاثة أشهر ونصف، معظمها محاكاة. ^{[ 8 ]} في التدريب المحاكي على طائرة بريداتور ، يستخدم المشغلون عصا تحكم يدوية ونظام توجيه ونظام مراقبة مطابقًا لما هو موجود في جهاز المحاكاة الحقيقي. تقع قواعد التدريب الرئيسية لأنظمة الطائرات بدون طيار التابعة للقوات الجوية في قاعدة هولومان الجوية ، نيو مكسيكو، وقاعدة كانون الجوية ، نيو مكسيكو، وقاعدة إلسورث الجوية، داكوتا الجنوبية ، وقاعدة وايتمان الجوية ، ميزوري، بينما يتلقى المتدربون تدريبهم الأولي على الطيران في بويبلو، كولورادو . ^{[ 9 ]}

يتلقى جنود الجيش تدريبًا على طائرات بدون طيار أصغر حجمًا وأسهل في المناورة، مثل طائرتي "ريفن" و"بوما"، على يد مدربين رئيسيين. يُختار هؤلاء المدربون من قواعد عسكرية حول العالم، ويتلقون تدريبهم في فورت بينينغ، جورجيا. ^{[ 10 ]} ثم يقوم هؤلاء المدربون الرئيسيون بتدريب الوحدات في قواعدهم الأصلية. أما مشغلو الطائرات بدون طيار الأكبر حجمًا، مثل "شادو" و"غراي إيغل"، فيُجرون تدريباتهم في فورت هواشوكا ، أريزونا، نظرًا لموقعها النائي. ^{[ 10 ]} يُعدّ هؤلاء المشغلون متخصصين في قتال الطائرات بدون طيار لطراز واحد محدد، وذلك لاختلاف قدرات ووظائف كل طائرة. ^{[ 10 ]} يجمع التدريب بين التدريب العملي والتدريب عبر المحاكاة لتعليم المشغلين الجدد. يسهل محاكاة التدريب لأنه يُحاكي تقريبًا تجربة التدريب العملي على متن الطائرة التي تُشغلها محطة التحكم الأرضية . ^{[ 10 ]}

كان المعيار المتبع في البحرية الأمريكية هو استخدام طيارين أتموا دورة تدريبية واحدة على الأقل قبل السماح لهم بالتدريب على تشغيل الطائرات بدون طيار. ومع تطور أجهزة المحاكاة وانخفاض تكلفتها، بدأت البحرية بتدريب الأفراد المجندين ذوي الخبرة في الطيران ليصبحوا مشغلين. ^{[11] ونُقل عن الكابتن باتريك سميث، مدير برنامج "فاير سكاوت"، قوله: "نسعى جاهدين لاختيار [المشغلين المحتملين] من مجتمع طائرات SH-60 سي هوك وإضافتهم إلى البرنامج الذي يستمر خمسة أسابيع، والذي يعتمد بشكل أساسي على المحاكاة." [ 11 ]} تُجري البحرية تدريبات على الطائرات ^{بدون طيار في} فورت هواشوكا، أريزونا، للمحاكاة الحية، أو في المنشآت العسكرية بالقرب من نهر باتوكسنت ، ماريلاند، لصالح برنامج "فاير سكاوت". ^{[ 11 ]}

في عام ٢٠١٤، تلقى جنود المارينز الذين أكملوا دورة الضباط الأساسية في مدرسة كوانتيكو بولاية فرجينيا تدريبًا على استخدام الطائرات المسيّرة الصغيرة (رافن وبوما). ^{[ ١٢ ]} لا تُستخدم الطائرات المسيّرة على نطاق واسع في سلاح المارينز، ^{[ ١٢ ]} ولكن مع ازدياد صغر حجمها وقدرتها على الحركة، ستُدمج بشكل أكبر في موارد المهام. وقد بدأ جنود المارينز مؤخرًا بتلقي تدريب من وحدة التدريب والدعم اللوجستي للطائرات المسيّرة من المجموعة الأولى (أقل من ٢٠ رطلاً) في معسكر ليجون بولاية كارولاينا الشمالية. ^{[ ١٣ ]}

الطائرات بدون طيار الموجودة في المخزون لكل فرع من فروع الخدمة:

• القوات الجوية: MQ-1 بريداتور ، و MQ-9 ريبر ، و RQ-4 غلوبال هوك . ^{[ 14 ]}
• الجيش: RQ-11 Raven و RQ-7 Shadow و RQ-5 Hunter و MQ-1C Gray Eagle ^{[ 14 ]} و RQ-20 Puma . ^{[ 10 ]}
• البحرية: BAMS ، وFirescout /VTUAV، وSTUAS ، و Scan Eagle ، وUCASS UAS. كان من المقرر استبدال UCASS بـ UCLASS في السنة المالية 2015. ^{[ 14 ]}
• سلاح مشاة البحرية: RQ-7 Shadow و STUAS. ^{[ 14 ]}

يستخدم رجال الإطفاء والشرطة وعمال المناجم وباحثو الأرصاد الجوية الآن طائرات بدون طيار (المعروفة اختصارًا بـ"الدرونز")، والتي استُخدمت في البداية في القطاعات العسكرية. والطائرات التي يستخدمها رجال الشرطة والإطفاء من النوع نفسه، إلا أنها تُستخدم لأغراض مختلفة. وقد تجاوزت الطائرات بدون طيار قدرة الإنسان على رفع الأحمال الثقيلة، والتقاط صور جريئة وسط العواصف الشديدة، وتحويل الصور إلى خرائط ثلاثية الأبعاد.

يستخدم باحثو الأرصاد الجوية طائرات بدون طيار متنوعة للمساعدة في التنبؤ بالطقس، وتصوير العواصف، وقياس درجات الحرارة. تُعدّ الطائرات بدون طيار ضرورية للغاية لفرق الأرصاد الجوية في التنبؤ بسرعة الرياح ودرجة الحرارة، واتجاه الرياح، ودرجة حرارة الهواء وضغطه (Aerosonde Mark 4). ^{[ 15 ]} تُستخدم طائرات بدون طيار أخرى لالتقاط صور لأنظمة العواصف، حتى داخل العاصفة نفسها. ^{[ 16 ]} ومثل Mark 4، تُستخدم طائرة Global Hawk التابعة لناسا لقياس درجة حرارة الهواء وسرعة الرياح وضغطه، ولكن على عكس Mark 4، يمكنها التقاط صور لنظام العاصفة. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

في قطاع التعدين، تُساعد الطائرات المسيّرة عمال المناجم في مهام مثل الفحص والصيانة، ونقل المعدات الثقيلة ، بل وحتى العمل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع. يستخدم قطاع التعدين طائرات مسيّرة مثل "ريسبوندر" و"سيرينيتي" لمساعدة فرق التعدين في الصيانة والفحص والتصوير. ^{[ 15 ]} كما تُساعد بعض الطائرات المسيّرة في قطاع التعدين العمال في تصوير الرواسب المراد استخراجها، ما يُتيح حساب حجم الرواسب المراد إزالتها وتصنيفها من قِبل العمال. ^{[ 18 ]}

في قوات الشرطة، تُستخدم الطائرات المسيّرة لتفجير القنابل، والاستجابة للحوادث، ومطاردة المجرمين جوًا، وتحديد مواقع المشتبه بهم باستخدام أنظمة كاميرات متطورة (فايكنغ 400-إس). ^{[ 19 ]} ومن الاستخدامات الأخرى للطائرات المسيّرة في قطاعات الشرطة تسجيل الحوادث، وإنشاء خرائط لها بنماذج ثلاثية الأبعاد، ثم إرسالها لاحقًا إلى الهواتف الذكية للضباط (سينسفلاي إي بي). ^{[ 19 ]} كما تُستخدم طائرات مسيّرة أخرى، مثل كامان، لإسقاط الإمدادات والمعدات للضباط، بالإضافة إلى نقلهم من وإلى مسرح الجريمة. وتُستخدم طائرة إي 300 لإيقاف المجرمين وتسجيل الحوادث. ^{[ 19 ]}

يستخدم رجال الإطفاء نفس الطائرات المسيّرة، ولكن لأغراض مختلفة. على سبيل المثال، تُستخدم طائرة ELIMCO E300 لإخماد الحرائق، بينما تستخدم طائرة Viking 400-S كاميرا لتصوير الحوادث، ثم تُرسل الصور لاحقًا إلى فرق الإطفاء لرسم خرائط الحوادث إلكترونيًا. ^{[ 20 ]} وتُستخدم طائرة MCV من شركة Information Processing Systems، مثل طائرة E300، لإخماد حرائق الغابات والحرائق التي يُفتعلها الإنسان. ^{[ 20 ]} أما طائرة eBee، مثل نظيرتها المستخدمة في الشرطة، فتلتقط صورًا بكاميرا 16 ميجابكسل، تُستخدم لإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد للخرائط من خلال دمج تقنية خرائط جوجل. ثم تُرسل هذه الصور لاحقًا إلى الهواتف الذكية لفرق الإطفاء. وتُستخدم طائرة Kaman، مثل نظيرتها المستخدمة في الشرطة، لتزويد رجال الإطفاء وضحايا الحرائق بالإمدادات، ولتقديم المساعدة الطبية. ^{[ 20 ]} بينما تُرسل طائرة Defikopter أجهزة إزالة الرجفان لضحايا النوبات القلبية. ولتحديد موقع الضحية، تستخدم نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). ^{[ 17 ]}

هناك دوران أو غرضان رئيسيان للوحدات العلمية في التعليم العالي:

• تدريب وتأهيل مشغلي الطائرات بدون طيار
• البحوث المتعلقة بالطائرات بدون طيار

تركز محاكيات الطائرات بدون طيار عمومًا على التحكم والتنسيق في الطيران على المستويات الدنيا باستخدام نماذج فيزيائية معقدة مصممة لتحقيق الدقة. تتطلب هذه المحاكيات خبرة متخصصة ومعرفة متعمقة لبنائها وتعلمها وتشغيلها. ^{[ 26 ] [ 27 ]} ويجري تطوير محاكيات بديلة، مثل نمذجة ومحاكاة الأنظمة بدون طيار القائمة على الوكلاء، لا سيما من قبل القطاع العسكري. ^{[ 28 ]}

يركز نمذجة ومحاكاة الطائرات بدون طيار باستخدام الوكلاء على قضايا متخصصة مثل التنسيق والتخطيط. فعلى سبيل المثال، يركز محاكي CoUAV ^{[ 29 ] على البحث التعاوني، بينما يركز محاكي MAS-Planes [ 30 ]} على تلبية الطلبات من خلال التنسيق اللامركزي. كما استُخدمت المحاكاة القائمة على الوكلاء في نمذجة محاكاة ديناميكيات طيران الطائرات بدون طيار ^{[ 31 ] .}

استُخدمت نمذجة ومحاكاة الأنظمة القائمة على الوكلاء لإدارة مهام الطائرات المسيّرة. ^{[ 32 ] [ 33 ]} استخدم الباحثون طائرة كودارا أفاتار في تجاربهم. كودارا أفاتار طائرة مسيّرة خفيفة الوزن، صُممت خصيصًا لمهام الاستطلاع والمراقبة صغيرة النطاق. تتميز هذه الطائرة بسهولة تجميعها وتفكيكها ونقلها في حقيبة ظهر. مع ذلك، تواجه كودارا أفاتار، في سعيها لتصبح طائرة مسيّرة ذاتية التشغيل، تحدياتٍ تتعلق بوقت الطيران، ومدى الطيران، والمتانة، ومحدودية القدرة الحاسوبية، ومحدودية البيانات الحسية، فضلًا عن لوائح وقيود الطيران. وللتغلب على هذه المشكلات، طوّر الباحثون بنية نظام التحكم في الطيران القائم على الوكلاء (FCS).

يحتوي نظام التحكم في الطيران (FCS) على وكيل يتمركز في أعلى شجرة التحكم، ويتلقى البيانات على فترات منتظمة، ويصدر أوامر نقاط التوجيه عالية المستوى. صُمم هذا الوكيل باستخدام لغة البرمجة JACK، وهي لغة برمجة موجهة نحو الوكلاء . يُبنى سلوك الوكلاء المُعرّفين باستخدام JACK على نظرية BDI (الاعتقاد، الرغبة، النوايا) للفاعلية. صُمم نظام إدارة المهمة باستخدام منهجية OODA (الملاحظة، التوجيه، القرار، الفعل) التي طورها العقيد جون بويد. أجرى الباحثون اختبارات ناجحة في ملبورن، أستراليا، باستخدام بنية FCS على طائرة Codarra Avatar بدون طيار. ^{[ 33 ]}

• نوفا: صعود الطائرات بدون طيار
• 60 دقيقة: طائرات بدون طيار فوق أمريكا