Рои дронов представляют собой передовую и захватывающую разработку в области беспилотных операций. Используя коллективные возможности нескольких дронов, стаи могут выполнять сложные задачи более эффективно, чем отдельные дроны. Многие люди, возможно, уже сталкивались с роями в форме световых шоу дронов, но, как будет обсуждаться в этой статье, это далеко от текущего уровня техники и является лишь вершиной айсберга.
За последние несколько лет эта тема стала одной из самых востребованных и технически сложных тем в индустрии дронов. Хотя это обширная и сложная тема, давайте рассмотрим самые существенные и интересные аспекты роев дронов, от их разнообразных применений до их технологических основ и будущего потенциала.
Что такое рой дронов?
Рой дронов — это группы автономных, сетевых БПЛА, которые работают сообща для достижения общих целей. В отличие от традиционных операций с использованием дронов, где каждый дрон пилотируется индивидуально, рой работает с высокой степенью координации и коммуникации между самими дронами.
Хотя многие могут мысленно ассоциировать слово «рой» с пчелами или другими насекомыми (особенно учитывая его значение), идея пришла от птиц. Некоторые виды птиц координируют свои полеты в, казалось бы, ритмичном и гармоничном движении, никогда не врезаясь друг в друга. Во многих случаях они даже набирают большую скорость, даже когда количество птиц растет экспоненциально. Все это можно увидеть в этом фантастическом видео поведения стаи птиц в действии, и вот пример простого алгоритма для имитации поведения роя. Естественно, применение этих алгоритмов к группам дронов получило большую популярность. Но когда речь идет о роях дронов, важно различать «работу нескольких дронов» и настоящие «рои».
Операция с несколькими дронами — это сценарий, в котором дроны летают по заранее определенным маршрутам (AB, AC, BC) для выполнения задач (например, доставки лекарств). Эта операция управляется или наблюдается оператором, который может управлять несколькими дронами одновременно (например, исключение Matternet для проверки соотношения пилота к дрону 1:20). Несмотря на то, что в воздухе одновременно находится много дронов в рое, дроны не работают вместе для достижения общей цели, поэтому неправильно называть это роем дронов. Также необходимо подчеркнуть, что для этого типа операции необходимо освобождение/исключение, поскольку это строго запрещено законами многих стран (например, FAA Часть 107.43).
В настоящем сценарии роя дронов дроны летают одновременно и сообща для достижения общих целей. Эти рои можно контролировать несколькими способами:
- Централизованная схема управления роями дронов (например, формирование «лидер-ведомый», виртуальная структура) включает в себя единую точку управления (например, наземную станцию управления), которая обрабатывает всю необходимую информацию, принимает решения и отдает команды каждому отдельному дрону. Другими словами, они просто летят в определенную точку пространства, при этом дрон [необязательно] знает, что поблизости находится другой дрон.
- Децентрализованная схема управления (например, формирование на основе поведения, искусственное потенциальное поле (APF)) позволяет роям дронов управлять собой посредством распределенных процессов принятия решений. Каждый дрон в рое действует на основе информации и предопределенных правил, координируя свои действия со своими непосредственными соседями с помощью методов на основе коммуникации, датчиков или зрения для поддержания формирования, но без явной коммуникации.
- В распределенной схеме управления (например, формирование на основе консенсуса) действия управления и процессы принятия решений распределены по всем дронам в рое. Каждый дрон обладает определенной степенью автономии, но также тесно сотрудничает с другими, обмениваясь информацией и принимая решения, которые приносят пользу коллективной цели — это означает совместную работу по принятию решений, которые отражают коллективный интерес.
Коммерческое использование роя дронов
В частности, рои дронов использовались в индустрии развлечений для создания потрясающих световых шоу. Эти шоу покорили зрителей по всему миру своими синхронизированными воздушными представлениями. Однако многие, кто знаком с этими операциями, отметили бы, что в световых шоу дронов есть центральный компьютер на земле, который отслеживает каждый дрон и перемещает их всех в унисон. Движения дронов диктуются сложной и подробной версией управления воздушным движением, которая рассчитывается таким образом, чтобы траектории полета оставались раздельными и не происходило столкновений. Это означает, что отдельные дроны не принимают участия в процессе принятия решений.
В сельском хозяйстве рои дронов могут быть использованы для точного земледелия, мониторинга состояния посевов, внесения удобрений и пестицидов и даже посадки семян с исключительной эффективностью. Ярким примером является недавнее одобрение Федерального управления гражданской авиации (FAA) для Hylio на развертывание до трех дронов весом более 55 фунтов одновременно с одним пилотом. Хотя три дрона — это не то, что большинство людей посчитают роем дронов (и в этом случае все еще участвует пилот), это одобрение позволяет выполнять операции в ночное время и значительно повышает производительность, позволяя одному оператору обрабатывать 150 акров в час по сравнению с предыдущими 50 акрами в час. Что еще более важно, эта веха прокладывает путь к более широкому внедрению технологии роя дронов в крупномасштабные сельскохозяйственные операции. Генеральный директор Национальной ассоциации сельскохозяйственной авиации (NAAA) подсчитал, что только 3% из 1500 предприятий, которые она представляет, используют дроны. Эта доля увеличивается из года в год и будет расти экспоненциально с использованием роев дронов.
Экологический мониторинг также может выиграть от скоординированных возможностей роев дронов. Эти рои могут быстро охватывать большие площади и предоставлять подробные экологические данные. Например, рои дронов могут оценивать воздействие стихийных бедствий и контролировать состояние целых лесов. Преимущества использования роя дронов вместо отдельных дронов сводятся к вопросу площади и масштаба: рой может разделить задачи по площади (охватывая разные области одновременно) или функции (каждый дрон сканирует разные аспекты) и охватывать всю область экспоненциально быстрее, чем отдельные дроны (особенно если они зависят от пилота).
И, конечно, есть много других примеров. От роя дронов, строящего 6-метровую башню, до дронов, строящих канатный мост, есть много творческих попыток использовать несколько дронов для достижения цели. Естественно, есть и разрушительные способы использования дронов. Рой дронов использовался в военных целях для подавления обороны противника чистой численностью (атаки насыщения) или для проведения точных, целенаправленных ударов с минимальным риском для человеческого персонала. Военно-воздушные силы США были на переднем крае разработки технологии роя, успешно продемонстрировав развертывание 103 дронов Perdix с истребителей F/A-18 Super Hornet еще в 2016 году. Однако разработка и развертывание военных роев дронов также поднимают этические и кибербезопасные проблемы, поскольку потенциал автономной смертоносной силы и уязвимость к взлому являются серьезными проблемами, которые необходимо решать.
Технологические тонкости роя дронов
Механизмы управления роями дронов являются фокусом того, насколько [сильно] развивается технология. Управление роями дронов включает сложные стратегии управления и координации нескольких дронов, летящих в строю. Обычные методы включают методы лидер-ведомый, виртуальную структуру, основанные на поведении, основанные на консенсусе и методы искусственного потенциального поля. Эти методы предоставляют структурированные рамки для управления строем и вдохновлены естественным поведением и математическими моделями. Они сосредоточены на том, чтобы каждый дрон сохранял свое положение относительно других, адаптируясь к изменениям скорости, направления и условий окружающей среды. Они обеспечивают надежность и простоту, но могут столкнуться с проблемами динамической адаптивности и масштабируемости.
В последние годы другой тип «методов на основе ИИ» ввел новые измерения в управление роем, используя искусственные нейронные сети (ИНС) и глубокое обучение с подкреплением (DRL) для улучшения автономного принятия решений и координации. Эти методы позволяют дронам обучаться и оптимизировать свое поведение в сложных средах, значительно повышая адаптивность и эффективность. ИНС предоставляют мощные инструменты для аппроксимации и обобщения функций, в то время как DRL позволяет БПЛА изучать оптимальные политики управления посредством взаимодействия с их средой. Однако эти методы также приносят проблемы, такие как вычислительная сложность, необходимость в обширных данных для обучения и проблемы безопасности в процессе обучения.
Будущее роя дронов
Интеграция обоих вышеупомянутых традиционных и машинных методов обучения часто рассматривается как наиболее перспективный путь для раскрытия полного потенциала роев дронов в различных приложениях. Независимо от используемого метода, цель в конечном итоге одна и та же: гарантировать, что рой работает автономно, как сплоченная единица. Это влечет за собой несколько технических проблем, таких как: поддержание строя, избежание столкновений и выполнение сложных маневров, все из которых зависят от чрезвычайно быстрой и точной информации, поэтому такие темы, как подключение 5G, будут играть ключевую роль в эволюции роев дронов. Все это, в дополнение к наличию сертифицированных алгоритмов, будет основными факторами для разработки и более широкого внедрения роев дронов в коммерческие операции.
Чтобы не пропустить новости о новых технологиях, подписывайтесь на наши каналы в Телеграм – GetMiner и GetDrone. Мы подберем лучший дрон и посоветуем, что можно подарить вашим детям. Также вы можете оформить заказ в нашем магазине на Озон. Не забудьте заглянуть и в наш ламповый чат.