CC BY
103Особенности управления беспилотными летательными аппаратами в составе беспилотной интеллектуальной авиационной системы на основе технологий искусственного интеллекта
Полковник в отставке В.М. ИВАНЕЦ, кандидат военных наук
Полковник в отставке В.Н. ЛУКЬЯНЧИК, кандидат военных наук
Полковник в отставке В.Н. МЕЛЬНИК, кандидат военных наук
АННОТАЦИЯ
ABSTRACT
Рассматривается создание перспективной беспилотной интеллектуальной авиационной системы (БИАС) в качестве перспективной системы аппаратно ориентированной на управление беспилотным летательным аппаратом (БПЛА) на основе технологий искусственного интеллекта. Определены требования к БИАС.
The paper looks at the making of an advanced unmanned intelligent aviation system (UIAS) as a promising system aimed in terms of equipment at managing unmanned aerial vehicles on the basis of artificial intelligence technologies. It also lists the requirements for UIAS.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
KEYWORDS
Искусственный интеллект, беспилотный летательный аппарат, беспилотная интеллектуальная авиационная система.
Artificial intelligence, unmanned aerial vehicle, unmanned intelligent aviation system.
СОВРЕМЕННЫЕ условия ведения военных действий ужесточили требования к полноте информационного обеспечения процессов управления войсками (силами), и, как следствие, расширяются требования к авиационным системам не только как к боевым средствам, но и как к поставщикам информации о противнике.
В последние годы большое внимание уделяется разработкам и созданию беспилотных летательных аппаратов различного предназначения (разведывательных, ударных, многоцелевых), которые способны действовать по наземным целям на большом удалении, в том числе и средствами высокоточного оружия (ВТО)1-2.
Анализ опыта применения БПЛА в современных военных конфликтах позволяет сделать вывод, что наличие полной, оперативной и достоверной информации о противнике, добываемой с помощью БПЛА, является необходимым условием успешного ведения боевых действий3.
В настоящее время в соединениях и частях (подразделениях) ВС РФ находятся на вооружении БПЛА таких типов, как Орлан-10, Элерон-3 СВ, Гранат, Застава, Форпост-Р, Груша, Леер-3, Наводчик-2, Тахион и другие. В зависимости от своего предназначения и выполняемых задач эти аппараты оборудуются соответствующими техническими средствами.
С учетом назначения, боевого применения, выполняемых задач можно выделить классификационные группы БПЛА (рис. 1).
Важным направлением развития тактики применения БПЛА считаются совместные действия пилотируемых аппаратов и беспилотных систем различных типов (рис. 2).
Рис. 1. Классификация беспилотных летательных аппаратов
Примечание: НСУ — наземная станция управления.
Рис. 2. Структура управления совместными действиями пилотируемых ЛА и беспилотных систем различных типов (вариант)
В настоящее время разработаны современные летательные аппараты (ЛА), в которых на основе отечественного программного обеспечения реализованы функции искусственного интеллекта. Технологии искусственного интеллекта составляют основу бортовых программно-аппаратных комплексов управления БПЛА «Аль-тиус-У» и «Ланцет», которые обеспечивают принятие решения и групповое применение БПЛА.
Расширенными боевыми возможностями обладает аппарат «Охотник», который предусматривает возможность работы в составе «летающего крыла» с разведывательно-ударными возможностями как самостоятельно, так и в одном строю с истребителем пятого поколения.
Создание БИАС на основе БПЛА является перспективным направлением технологических решений, позволяющих имитировать когнитивные функции человека и получать при выполнении конкретных задач результаты, в некоторой степени сопоставимые с управленческой деятельностью человека, обеспечивающей повышение эффективности применения системы вооружения.
БПЛА могут применяться для решения самого широкого круга задач в различных условиях обстановки. Для этого на борту ЛА устанавливается комплекс технических средств (цифровые фото-, видео- тепловизи-онные камеры, датчики, и другое оборудование, с помощью которого обеспечивается обработка информации и передача (доведение) ее на наземную станцию управления (НСУ) или непосредственно на огневые (ударные) средства, в последнем случае удар по разведанным целям может осуществляться в режиме реального времени); вооружение (ракеты, управляемые авиационные бомбы (УАБ) и др.), средства управления и связи.
Современные БПЛА по выполняемым задачам представляют собой многофункциональные, совместимые и интегрируемые в существующие и перспективные структуры ВС, обладающие способностью к самостоятельному выполнению задач в условиях неопределенности обстановки. Они способны выполнять задачи в едином районе боевого управления в составе смешанной группы с возможностью одновременного применения при дистанци-
онном, автоматизированном и автоматическом управлении.
Многофункциональность БПЛА заключается в возможности создания на их основе интегрированной системы наблюдения и разведки, включающей радиотехническуию, оптическую и инфракрасную разведывательные подсистемы, которые могут работать одновременно, а их данные обрабатываться единым бортовым вычислительным комплексом.
Одно из перспективных направлений — ретрансляция сигналов связи. Многофункциональность наряду с расширением разведывательных возможностей и решения задач связи предполагает увеличение времени автономной работы БПЛА и улучшение их тактико-технических характеристик.
Учитывая особенности боевого применения БПЛА, разрабатываемые и планируемые к созданию комплексы с БПЛА различных классов и назначения должны образовывать единую систему беспилотных интеллектуальных средств, характеризующуюся высокой степенью унификации на уровне общих принципов построения, эксплуатации, обеспечения и боевого применения.
Для качественного выполнения задач БПЛА необходимо обеспечить устойчивое и надежное управление на всех этапах его боевого применения. В общем случае управление БПЛА означает процесс, обеспечивающий рациональную последовательность выполнения действий и реализацию целевых возможностей всего комплекса технических средств в соответствии с их предназначением. Требуется обработка значительного количества разнородной информации в минимальные временные интервалы (с задержкой долей секунд). Это возможно на основе применения искусственного интеллекта в системах программно-аппаратных средств, реализуемых в БПЛА, назем-
ных станциях управления, ретрансляционных пунктах, т. е. в созданной беспилотной интеллектуальной авиационной системе.
Одним из ключевых элементов БИАС является разработка перспективных систем управления военного назначения, аппаратно ориентированных на работу в условиях неполноты или нечеткости исходной информации, неопределенности внешних воздействий и среды функционирования4.
Очевидно, что, имея различного рода неопределенности при случайном характере внешних воздействий, к которым можно отнести непредусмотренное изменение фоноцелевой обстановки, собственных эксплуатационных характеристик объекта управления и параметров среды, высокий уровень автономности, адаптивности и надежности систем управления должен обеспечиваться за счет повышения их интеллектуальных возможностей.
В рамках выполняемых задач БПЛА к системе управления БИАС предъявляются следующие требования: построение системы управления по распределенному принципу с использованием как универсальных, так и специализированных вычислительных средств; возможность работы в ручном и автоматизированном режимах; обеспечение управления в сложных физико-географических условиях; высокая эксплуатационная надежность, стойкость к воздействию внешних факторов и ремонтопригодность; возможность управления ЛА в составе смешанной группы; помехоустойчивость; использование мощной бортовой вычислительной системы, способной как производить универсальные алгоритмические вычисления, так и обрабатывать большие параллельные информационные потоки; применение многоканальной системы локальной навигации; наличие
многоспектральной системы технического зрения, способной работать в условиях пониженной освещенности и сложных метеоусловиях; наличие высокоскоростных, помехозащи-щенных каналов связи и управления; высокая нагрузочная способность силовых элементов управления; использование в системе компонентов, отвечающих жестким требованиям по условиям применения в соответствии с требованиями военных стандартов.
Необходимо отметить, что к настоящему времени остается много нерешенных проблем как научно-технического, так и организационного характера, которые снижают эффективность управления в сложных физико-географических условиях полета БПЛА. С учетом этого рассматриваются два основных направления решения задачи управления группой БПЛА.
Первое предусматривает заблаговременную выработку автоматизированной системой управления последовательности действий БПЛА (одиночных и в группе).
Второе направление предполагает отыскание приемлемой последовательности действий БПЛА и ее реализацию в процессе выполнения задачи.
В БИАС предполагается обеспечивать управление одиночными и групповыми образцами БПЛА как со стационарных, так и с подвижных пунктов управления. Связь оператора с ЛА осуществляется по радиоканалам. Прием и обработку управляющего сигнала, а также последующее управление исполнительными приборами осуществляет бортовой вычислительный комплекс.
Систему (контур) управления БПЛА следует рассматривать в составе двух основных элементов.
Первый — исполнительный, т. е. это сам планер с силовой установкой и рулевые механизмы.
Втор ой — командный, который ставит задачу на полет, принимает
решение в случае необходимости изменить программу полета, выполняет коррекцию движения ЛА при его отклонениях от заданной траектории движения.
Такое деление системы управления (СУ) связано с особенностями полета ЛА. Кроме того, относительно малые размеры и масса БПЛА приводят к увеличению количества и мно-гоаспектности внешних воздействий на них (горы, лес, вышки антенн и др.) по сравнению с существующими пилотируемыми ЛА. Следовательно, ужесточаются требования к элементной базе СУ.
Высокие требования предъявляются как к каналам передачи сигналов управления, так и к информационным каналам, в том числе к скорости передачи информации, помехозащищенности, криптостойкости, дальности устойчивой связи на пересеченной местности и другие.
Основной функцией, решаемой СУ БПЛА, является: управление движением его центра масс, которое обеспечивает полет ЛА по наилучшей (оптимальной) траектории (полет ЛА по горизонтали на расчетной (заданной) высоте в координатной системе с привязкой к местности); управление угловыми движениями БПЛА вокруг вертикальной, горизонтальной и продольной осей ЛА (изменения курса, высоты полета, крена); управление по скорости полета. Если не нужно точно выдерживать движение летательного аппарата по заданной траектории, то управление осуществляется только его угловыми движениями, которые обеспечивают определенное положение БПЛА в пространстве.
Таким образом, управление полетом БПЛА сводится к управлению параметрами его движения: угловыми координатами (углами крена и тангажа (кабрирования, пикирования), а в плоскости горизонта — углами
курса); угловыми и линейными скоростями и ускорениями; линейными координатами (дальностью, высотой, боковым уклонением от заданной траектории полета).
Решение таких сложных задач, связанных с управлением ЛА, может быть реализовано на основе особенностей систем новых информационных технологий, заключающихся в адаптации и гибкости программных систем, относящихся к той или иной предметной области. Во всех этих случаях нельзя сказать априори, посредством какой модели, алгоритма и системы программ решается задача или распознается ситуация.
В составе комплекса бортового оборудования БПЛА необходимо иметь широкий набор интеллектуальных алгоритмов и специального программного обеспечения5. Во все виды интеллектуальных систем входит система общения, в общем случае представляющая собой лингвистичес-
кий процессор в программной или аппаратной реализации, который осуществляет автоматический перевод профессиональных диалектов естественного языка на язык ЭВМ и обратно. Формируемая база знаний реализуется в виде функциональной семантической сети, представляющей собой в общем случае двудольный помеченный граф с двумя типами вершин. Один тип — это параметры рассчитываемых задач, в том числе исходные данные. Вершины-параметры дугами связаны с другим типом вершин, которым сопоставлены математические отношения.
Установленные на борту БПЛА интеллектуальные устройства (датчики) сканирования по высоте, курсу, скорости и система ГЛОНАСС объединяются организационно и функционально в модуль управления планером (МУП), образуя с бортовой ЭВМ интеллектуальную информационно-поисковую систему (рис. 3).
Примечание: УС-Н, УС^, УС-У — устройства сканирования соответственно по высоте, курсу и скорости движения БПЛА; ФК — фотокамера; ВК — видеокамера; ТК — тепловизионная камера; УУ — устройство управления; БВК — бортовой вычислительный комплекс; МС — модуль связи.
Рис. 3. Структура бортового интеллектуального комплекса МУП БПЛА
Очевидно, что на современном уровне развития бортовых автоматизированных систем управления главной проблемой создания БИАС является разработка и реализация на борту ЛА широкого набора интеллектуальных алгоритмов и специального программного обеспечения.
В зависимости от типа БПЛА, назначения и выполняемых задач возможно создание следующих систем управления: автономные, неавтономные и комбинированные.
Особенностью автономных СУ является то, что сигналы управления движением вырабатываются аппаратурой, целиком расположенной на борту, причем эта аппаратура после запуска не получает никакой информации из пункта управления. Автономные СУ действуют по заранее определенной программе.
При использовании автономных систем существуют два метода получения управляющих сигналов. Можно заранее перед стартом рассчитать, как должны изменяться во времени основные параметры движения БПЛА (скорость, высота, курс полета), определяющие траекторию движения. Полученные функции времени вводятся в специальные устройства СУ в качестве заданных величин или программ с использованием ГИС. После старта в процессе полета БПЛА соответствующими устройствами непрерывно изменяются текущие (действительные) значения указанных параметров. СУ осуществляет сравнение расчетных значений параметров с текущими значениями и при их неравенстве вырабатывает соответствующие сигналы управления.
Если на БПЛА установлена аппаратура (датчики, устройства сканирования, камеры), позволяющая вести непрерывное измерение ее координат в пространстве, то автономное управление можно осуществить по-другому. Координаты, получае-
мые от аппаратуры, автоматически вводятся в бортовое вычислительное устройство, которое в соответствии с заранее заложенной программой вычисляет величину сигналов управления. Следовательно, определенная траектория не задается заранее, а каждый раз вычисляется в зависимости от текущих координат. При этом предполагается, что координаты объекта предварительно заложены в вычислительное устройство.
На работу таких СУ не оказывают влияния искусственно создаваемые помехи. Это основное их достоинство. Кроме того, эти системы можно применять для управления БПЛА с большой дальностью полета.
Использование на борту ЛА датчиков различного назначения, фото-и видеокамер, тепловизоров, связанных с бортовым вычислительным комплексом и программным обеспечением, создает в комплексе некую систему искусственного интеллекта, на основе которой реализуется полет БПЛА, его маневрирование по курсу и высоте в зоне (районе) выполнения задач. В системе осуществляется фиксация местоположения (координат) БПЛА с привязкой ко времени и передача на вычислительный комплекс наземной станции управления (НСУ), на котором вырабатываются команды коррекции и передаются обратно на борт ЛА. В зависимости от типа и задач БПЛА возможны следующие методы управления: пилотажный и навигационный.
Пилотажный метод может реали-зовываться как за счет внутренних систем (в автоматическом режиме), так и при дистанционном управлении (в автоматизированном режиме).
При автоматизированном управлении с пункта управления передаются заданные углы отклонения рулевых аэродинамических плоскостей и режимы работы силовой установки. Очевидно, что для БПЛА с высокоско-
Основной функцией, решаемой системой управления БПЛА, является: управление движением его центра масс, которое обеспечивает полет ЛА по наилучшей (оптимальной) траектории (по горизонтали на расчетной (заданной) высоте в координатной системе с привязкой к местности); управление угловыми движениями БПЛА вокруг вертикальной, горизонтальной и продольной его осей (изменения курса, высоты полета, крена); управление по скорости полета.
ростными характеристиками и высокой маневренностью требуется очень быстрая доставка команд управления с пункта управления на борт. Одновременно с этим пилотажное управление требует высокой степени вмешательства оператора в процесс управления ЛА, что, в свою очередь, требует высокой концентрации оператора, а также высокой степени его подготовки. В этом случае управление идет непосредственно исполнительными механизмами планера.
Работа в автоматическом режиме при навигационном методе управления обеспечивается посредством реализации алгоритмов функционирования внутренней системы управления, построенной на основе искусственного интеллекта.
Управление БПЛА осуществляется не передачей ему команд для исполнения маневров, а путем задания точек маршрута относительно земной поверхности. При данном методе управления все вычисления по обнаружению отклонений в движении от заданной траектории выполняются на борту и снимается нагрузка с радиолинии. По ней теперь передаются только изменения навигационной программы (изменение маршрута движения относительно ранее запланированного). В этом случае при возникновении каких-либо отклонений от заданной траектории навигационный вычислитель способен сам, без участия наземного пункта управле-
ния, выработать набор команд для коррекции движения.
Для управления БПЛА возможно использование и системы ГЛОНАСС. Данный метод по своей сути является навигационным. Бортовая система навигации и управления обеспечивает: полет по заданному маршруту (задание маршрута производится с указанием координат и высоты поворотных пунктов маршрута); изменение маршрутного задания или возврат в точку старта по команде с наземного пункта управления; облет указанной точки; автосопровождение выбранного объекта; стабилизацию углов ориентации БПЛА; поддержание заданных высот и скоростей полета (путевой, либо воздушной); сбор и передачу телеметрической информации о параметрах полета и работе специального оборудования; программное управление устройствами специального оборудования.
В основу системы управления БПЛА БИАС должны быть положены алгоритмы, позволяющие обрабатывать и обобщать информацию от разнородных средств, а также решать задачи обеспечения каналов обмена данными с необходимой пропускной способностью, помехозащищенностью и надежностью.
Для БПЛА характерным является интерактивное управление в условиях изменяющихся параметров и неконтролируемых внешних воздействий. В интерактивных системах
целесообразно использовать двухуровневую систему управления. Первый (верхний) уровень представляет собой интеллектуальную систему по формированию команд оператора (должностного лица), а второй (нижний) уровень, выполняет функции исполнительный системы адаптивного управления, обеспечивающей решение задач при действии случайных факторов, не учтенных на этапе планирования и отклоняющих движение БПЛА от заданного в условиях реальной обстановки.
Если на верхнем уровне используются обобщенные понятия, оценки и правила, то на нижнем используется более точная информация, получаемая с помощью соответствующих датчиков (сканирующих устройств). Организация верхнего уровня управления целесообразна на базе нечетких отношений и нечеткой логики. Это дает возможность оператору (человеку) ставить задачу БПЛА с использованием лингвистических переменных. Для решения задачи автономного адаптивного управления манипуляционными механизмами БПЛА (камерой, антенной) может быть использована его система управления.
В процессе полета БПЛА находится в условиях переменных возмущающих воздействий, значения параметров которых постоянно изменяются. По этой причине получать и анализировать в МУП, а также на наземной станции управления данные таких параметров является непростой задачей. Одним из подходов, позволяющих обеспечить требуемое качество управления в условиях неопределенности внешних воздействий на полет и функционирование БПЛА, является применение интеллектуальных систем.
Интерактивная система управления выполняет следующие функции: задание траектории (прямолинейной или криволинейной) полета ЛА; вы-
бор режима полета; определение расстояния от базовой точки и контроль положения в пространстве; выдачу информации на экран монитора; обработку сигналов посредством вычислительных комплексов; топопри-вязку к местности в зоне (районе) боевого применения.
Процесс управления БПЛА следует рассматривать в виде единой конструктивно развивающейся системы комплекса работ: по подготовке ЛА, его запуску, управлению в полете и получению данных по каналам связи в процессе выполнения задач.
Прием и передача данных при дистанционном управлении осуществляется посредством модуляции-демодуляции, кодирования-декодирования и последующей программной обработки.
Важно отметить, что все критерии, на основе которых в системе управления происходят процессы принятия решений, являются конфигурируемыми параметрами сети как в момент планирования применения БПЛА, так и в момент его боевого применения в соответствии с изменениями динамики решаемых задач.
Из-за динамического характера задач управления, их высокой размерности, сложности формирования полной системы показателей эффективности самой системы управления (из-за корреляции и нечеткого характера многих из них), неполноты и недостоверности контрольной информации целесообразно для одновременного обеспечения высокой функциональной гибкости и быстродействия подсистемы связи БПЛА использовать нечеткие нейронные сети, использующие нечеткое описание управляемого процесса и системы его управления в виде нечеткой базы знаний, а также преобразующей нечеткое описание в последовательность команд, для достижения целей управления.
Особенностями предлагаемой схемы нечеткой системы управления
В основу системы управления БПЛА БИАС должны быть положены алгоритмы, позволяющие обрабатывать и обобщать информацию от разнородных средств, а также решать задачи обеспечения каналов обмена данными с необходимой
пропускной способностью, помехозащищенностью и надежностью.
является: учет последовательности цикла управления: оценка ситуации, определение цели управления, выявление необходимости управления, поиск допустимых значений и способа достижения поставленной цели и реализации выбранного способа достижения цели.
Сочетание технологии искусственного интеллекта в составе двух независимых теорий — нейронных сетей и нечеткой логики позволит оптимизировать процесс управления
БПЛА путем учета сложившейся ситуации (по анализу и распознаванию обстановки, целесообразности поведения и другим свойствам), а также требований к системе управления по устойчивости и непрерывности при передаче определенного типа трафика по линиям дистанционного управления от наземной станции управления (НСУ) на бортовой интеллектуальный комплекс ЛА.
Создание перспективной системы управления БПЛА на основе технологий искусственного интеллекта, ориентированной на работу в условиях неопределенности внешних воздействий, среды функционирования и динамичности выполняемых задач, позволит обеспечить устойчивое управление ЛА и эффективное использование его боевых возможностей по предназначению6. Особенностью БИАС является адаптация и гибкость программных систем по отношению к задачам, относящимся к той или иной предметной области их выполнения. Оснащение средствами искусственного интеллекта ЛА и НСУ объединение их ЭВМ в сети (на сетевом уровне) способствует созданию новых технологий информационно-организационного процесса, решающего комплекс задач при боевом применении БПЛА.
ПРИМЕЧАНИЯ
1 Полтавский А.В. Беспилотные летательные аппараты в системе вооружения // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. 2011. № 163.
2 Сизов В.Ю. Какие боевые роботы нужны России? // Военное обозрение. 2016. 7 марта. URL: https://topwar. ru/91962-kakie-boevye-roboty-nuzhny-rossii.html (дата обращения: 29.06.2016).
3 Боевые роботы в будущих войнах: выводы экспертов (Часть 1) // Независимое
военное обозрение. 2016. 4 марта. URL: http://nvo.ng.ru/armament/2016-03-04/1_ robots.html (дата обращения: 29.06.2016).
4 Боевые роботы в будущих войнах: выводы экспертов. Ч. 1 // Независимое военное обозрение. 2016. 4 марта.
5 Поспелов В.Г. Искусственный интеллект-основа новой информационной технологии. М.: Наука, 1988.
6 Ивашко В.Г., Финн В.К. Экспертные системы и некоторые проблемы их интеллектуализации. М.: ВИНИТИ, 1986. № 27.
