نرم افزار به هواپیماهای بدون سرنشین کمک می کند تا در طول پرواز آزمایشی قطب شمال رکوردها را بشکنند

شرکای NPS و آزمایشگاه تحقیقات دریایی (NRL) پس از سال‌ها کار اختصاصی با وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV) آزمایش نهایی یک تداوم 9 ساله تحقیق و توسعه را در یکی از چالش‌برانگیزترین محیط‌های جهان به پایان رساندند: دایره قطب شمال. .

این تیم مشترک، نرم‌افزار برنامه‌ریزی مسیر پرواز پیشرفته خود NPS را که به نام POTION (بهینه‌سازی مسیر) شناخته می‌شود، با پهپاد Vanilla که توسط پلتفرم هوافضا توسعه و راه‌اندازی شده است، یکپارچه کردند. این ابتکار مرزهای تحقیقات آنها را جابجا کرد و ترکیب وانیل-معجون را در معرض آزمایش های دقیق در دامنه دلهره آور شمالی آلاسکا قرار داد و از یک پنجره آب و هوای باریک بهترین استفاده را کرد.

قابل توجه است که نتایج پرواز قطب شمال در ماه سپتامبر فراتر از همه انتظارات بود، و همچنین رکوردهای متعددی که توسط وانیلا در ماموریت های قبلی ثبت شده بود. این دستاورد بر قابلیت‌های استثنایی ترکیب Vanilla-POTION تاکید می‌کند و نقطه عطفی در پیشرفت فناوری پهپاد برای عملیات‌های دریایی در محدوده مشارکت بلندمدت است.

دکتر ولادیمیر دوبرخودوف، دانشیار مهندسی مکانیک و هوافضا (MAE) NPS، که در سال 2001 به عنوان یک دانشجوی فوق دکترا در NPS کار خود را آغاز کرد، رهبر تلاش‌های NPS در مورد آنچه او «پرواز هوایی آگاه از انرژی» می‌نامد، است.

دوبرخدوف توضیح داد: “بازده یک گلایدر با استفاده هوشمندانه از انرژی تعیین می شود، یک تضاد آشکار با معیارهای بازده رزمی که در هواپیماهای جنگنده اعمال می شود. هدف گلایدرها مشابه هواپیماهای ترابری، طی کردن مسافت های وسیع با حداقل مصرف سوخت است.” طی یک همکاری دقیق نه ساله بین NPS و NRL، رویکردهای نوآورانه ای برای بهینه سازی کارایی هواپیماهای استقامت طولانی ایجاد شده است.

در سال 2014، دوبرخدوف در کنار دکتر دن ادواردز و دکتر ریچارد استرومن از NRL برای بررسی تحقیقات پرواز آگاه از انرژی با یک پهپاد هیبریدی جدید به نام ببر هیبرید که فناوری‌های جمع‌آوری انرژی سلول‌های سوختی هیدروژن، خورشیدی و باد جوی را ادغام می‌کند، کار کرد. این پروژه سه سال طول کشید.

مرکز دستاوردهای این پروژه، توسعه نرم‌افزار برنامه‌ریزی مسیر بهینه با تقلید از الگوهای پرواز صرفه‌جویی در انرژی پرندگان مهاجر در مسیر رودخانه‌های بادی جوی بود.

در قلمرو پرواز با انرژی کارآمد، که با سرعت و ارتفاع کم مشخص می شود، حساسیت به اثرات نامطلوب بادهای شدید و یخبندان تقویت می شود و برنامه ریزی مسیر پرواز را برای اپراتورهای انسانی بسیار چالش برانگیز می کند. بهینه‌سازی ریاضی مسیریابی حیاتی می‌شود و به یک راه‌حل نرم‌افزاری پیچیده نیاز دارد که هواپیما را قادر می‌سازد تا به طرز ماهرانه‌ای در شرایط جوی متنوع و بالقوه خطرناک حرکت کند.

همکاری نزدیک با استادان MAE، مارک کارپنکو و کوین جونز، محققانی که سال‌ها در زمینه بازده پرواز و مهندسی کنترل بهینه گذرانده‌اند، به پیشرفت رویکرد بهینه انرژی به آنچه اکنون POTION است کمک کرد. این تیم مدل راندمان پیشرانه یک هواپیما را برای مدل‌سازی مصرف سوخت پهپاد Vanilla توسعه داد و از یادگیری ماشینی برای ادغام آن مدل در الگوریتم برای بهینه‌سازی مسیر استفاده کرد.

کارپنکو گفت: «استفاده از شبکه‌های عصبی برای نمایش و اجرای سریع یک مدل انرژی پیچیده، یک عامل کلیدی برای بهینه‌سازی مسیر پرواز وانیل بود.

پیش بینی آب و هوا از فرماندهی هواشناسی و اقیانوس شناسی دریایی (METOC) برای اطلاع رسانی به ماموریت های چند روزه از شرایط آب و هوایی پیش رو استفاده شد. درست مانند کشتی‌ها، یک هواپیما ممکن است انرژی گرانبها را با پرواز مستقیم به سمت بادهای مخالف هدر دهد، حتی اگر مسیر پرواز مستقیم‌تری باشد. POTION مأموریتی را طراحی می‌کند که با ارجاع به پیش‌بینی‌های آب و هوای METOC که حداکثر پنج تا هشت روز طول می‌کشد، سودمندترین مسیر از نظر انرژی را از طریق بادهای سه‌بعدی متغیر با زمان پیدا می‌کند.

برای آزمایش نرم‌افزار POTION، محققان به یک هواپیمای منحصربه‌فرد برای میزبانی این فناوری نیاز داشتند و یکی از آنها را در Vanilla، یک پهپاد گروه III، پیدا کردند. پهپادهای وانیلی دارای حداکثر استقامت 10 روز، ظرفیت حمل بار 150 پوند و حداکثر برد 15000 مایل دریایی هستند. قابلیت وانیل برای پرواز استقامتی طولانی، آن را به ویژه برای آزمایش واقعی عملکرد پرواز خود در شرایط باد و یخبندان مناسب می‌سازد و بنابراین کاندیدای اصلی برای آزمایش نرم‌افزار POTION است.

در ابتدا، آزمایش پرواز قرار بود در کالیفرنیا انجام شود، اما تغییر لحظه آخری، پرتاب پهپاد Vanilla را از شیب شمالی آلاسکا – بالای دایره قطب شمال – در هوای سخت ضروری کرد. به طور معمول، وانیل باید توسط یک هواپیمای سرنشین دار در منطقه ترمینال فرودگاه ها “تعقیب” شود، اما هوا آنقدر شدید بود که هواپیمای اسکورت نمی توانست بلند شود. در عوض، وانیل فرصتی برای پرواز با استفاده از قوانین پرواز ابزاری (IFR) کاملاً مستقل و پیروی از مسیرهای تولید شده توسط POTION داده شد.

“در شدیدترین شرایط قطب شمال، وانیل عملکردی استثنایی از خود نشان داد و به نقاط عطف بی‌سابقه‌ای در تاریخ عملیاتی خود دست یافت. به ویژه، رکورد طولانی‌ترین مدت پرواز توسط یک هواپیمای وانیلی در محیط‌های قطب شمال را به ثبت رساند، بیشترین مسافت را در این عرض‌های جغرافیایی طی کرد و آن را مشخص کرد. دوبرخدوف گفت: عملیات افتتاحیه با استفاده از قوانین پرواز ابزاری (IFR).

ما توقعات زیادی داشتیم و هیچکدام برآورده نشد. فقط هیچ کدام. از تک تک آنها فراتر رفتیم و این باور نکردنی بود. در زمانی که وانیل فرود آمد، ما (دابروخودوف، ادواردز و استرومن) فقط به یکدیگر نگاه می کردیم و این را می دانستیم. نه سال طول کشید تا این اتفاق بیفتد. و حالا بالاخره همه چیز به هم پیوسته بود.”

به افتخار 101 امین پرواز توسط پهپاد Vanilla و موقعیت منحصر به فرد آن، تیم این پرواز را Arctic 101 نامید. به گفته کارپنکو، “Arctic 101 همچنین نام مناسبی برای اولین پرواز ما بود زیرا ما چیزهای زیادی یاد گرفتیم، به خصوص در مورد استقرار نرم افزار POTION. در “وحشی”.”

با افزودن نرم افزار NPS' POTION به پهپاد Vanilla، این تیم توانست به طور قابل توجهی استقامت خود را افزایش دهد و افزایش استقامت پهپاد پیامدهای عمیقی برای عملیات نظامی دارد.

از این نظر، نرم افزار POTION توسعه یافته توسط NPS به عنوان یک ابزار محوری می ایستد، که اتوماسیون بهینه سازی ماموریت را که شامل استقرار هواپیمای استقامت طولانی از یک پایگاه، حرکت به یک مکان تعیین شده برای پرسه زدن طولانی، و متعاقباً بازگشت به پایگاه است، تسهیل می کند. این نرم افزار همه کاره با پلتفرم های مختلف هواپیما سازگار است و می تواند به طور یکپارچه با تقریباً هر ایستگاه کنترل زمینی ادغام شود.

سناریوی عملیاتی در قطب شمال نیز پتانسیل دگرگون کننده POTION را به نمایش گذاشت. به طور قابل توجهی، به طور موثر بار شناختی اپراتور مرتبط با فرآیند پیچیده طراحی و مدیریت ماموریت چند روزه را کاهش داد و پیشرفت قابل توجهی در کارایی عملیاتی را نشان داد.

ابتکار تحقیقاتی POTION در پیشبرد پایگاه دانش بسیاری از دانشجویان NPS مفید بوده است. در طول سه سال گذشته، هفت دانشجو در بخش های مختلف NPS انرژی عملیاتی و کارایی آن در کاربردهای هواپیما را به عنوان نقطه کانونی موضوعات پایان نامه خود انتخاب کرده اند.

در حالی که برخی از دانشجویان از دپارتمان مهندسی مکانیک و هوافضا – از جمله پرچمدار نیروی دریایی ایالات متحده، لوک لالوماندیر، فارغ التحصیل ژوئن 2023 که کارش بر هدایت بهینه انرژی سیستم‌های UAS در محیط‌های مختلف باد متمرکز بود – قابل توجه است که دانشجویان تحقیقات عملیات به‌ویژه به طور قابل توجهی بینش های ارزشمندی را در زمینه بهینه سازی در سطح ماموریت ارائه کرد.

یکی از این دانشجویان OR سرگرد تایلر کاتنی از تفنگداران دریایی ایالات متحده بود، یکی دیگر از فارغ‌التحصیلان ژوئن 2023 که پایان‌نامه‌اش به راه‌حل‌های بی‌درنگ مسیریابی پهپاد قوی و آگاه از انرژی می‌پردازد.

دوبرخدوف بر قدردانی خود از مشارکت دانشجویان در رشته های مختلف تاکید می کند.

“مشارکت فعال دانش‌آموزان سنگ بنای تلاش NPS را تشکیل می‌دهد. بسیاری از دانشجویان NPS از ناوگان وارد می‌شوند. بسیاری از آنها در حال حاضر تجربه عملیاتی پرواز با پهپادها را دارند، و آنها به ما برای فکر و مشاوره در مورد نحوه استفاده از پهپادها می‌دهند. تا حدی، موفقیت این پروژه همچنین موفقیت دانش آموزان ما است. آنها به NPS می آیند، از ما یاد می گیرند، اما ما نیز از آنها یاد می گیریم. این بخش مهمی از کاری است که همه ما اینجا انجام می دهیم.”

اگرچه هیچ دانش آموز NPS نتوانست در آزمایش قطب شمال در سپتامبر امسال شرکت کند، NPS در حال حاضر به دنبال ترکیب نتایج حاصل از تحقیقات POTION در یک پروژه جدید با فرصت هایی برای دانش آموزان و شرکای تحقیقاتی است.

پیشنهاد دیگر برای NPS، پروژه ای با عنوان GUIDER (راهنمای UxS: مسیریابی هوشمند، آگاه از انرژی) است که توسعه طبیعی کار انجام شده با Vanilla خواهد بود و امیدواریم کاربرد آن را در کلاس وسیع تری از هواپیماهای خودمختار گسترش دهد.

دوبرخدوف درباره اهداف خود برای پروژه GUIDER گفت: «ما می‌خواهیم صرفه‌جویی در مصرف انرژی را که در طول حمل و نقل به منطقه عملیاتی و از منطقه عملیاتی به دست می‌آید با عملکرد آگاه از انرژی هواپیما در مرحله اجرای مأموریت ادغام کنیم.

“سوال این است که چگونه می‌توانیم پرواز کارآمد انرژی را به وظایف ماموریتی معمولی، مانند جستجو در منطقه وسیعی از جنوب اقیانوس آرام گسترش دهیم. با استفاده از آنچه در آزمایش قطب شمال آموخته‌ایم، اکنون می‌توانیم نحوه انجام یک عملیات بزرگ را مطالعه کنیم. جستجو در مقیاس بهینه را با توجه به سوخت و انرژی انجام دهید و آن دانش را در هواپیماهای دیگر به کار ببرید.”

استفاده از پهپاد وانیلی در تحقیقات انجام شده توسط دانشکده تحصیلات تکمیلی نیروی دریایی به منزله تایید پلتفرم هوافضا یا محصولات یا خدمات آن توسط NPS، وزارت نیروی دریایی، یا وزارت دفاع نیست.

ارائه شده توسط دانشکده تحصیلات تکمیلی نیروی دریایی