تبلیغات
سیگنال >> سایت تخصصی مهندسی برق - مقدمه ای بر هواپیما های بدون سرنشینUAV

مقدمه ای بر هواپیما های بدون سرنشینUAV

تاریخ:یکشنبه 9 بهمن 1390-19:44

 

هواپیماهای بدون سرنشین (UAV: Unmanned Air vehicle) با بیش از 200 نوع پرنده‌ی مورد استفاده در جهان، همچنان یكی از فنّـاوری‌های در حال توسعه و مورد توجه ارتش و نیز برخی شركت‌های تجاری (نظیر شركت‌های اكتشاف معدن) می‌باشند. این هواپیماها چالش‌های دشواری را برای مراكز آزمایش و ارزیابی (T&E: Test and Evaluation) پیش رو می‌گذارند. ارتش علاقه‌مند است تا بر روی هواپیماهای بدون سرنشین كاملاً خودكار، برای كاهش ملزومات مهارت اپراتور و افزایش قابلیت اطمینان سیستم‌های تاكتیكی متمركز شود. در این مقاله فرض می‌شود كه سطح بهینه‌ای از كنترل وسیله‌ی هوایی توسط یك "نیروی انسانی در چرخه"، در مقابل عملیات كاملاً خودكار برای هدایت مأموریت‌های ویژه وجود دارد. اگر چه ممكن است خودكار بودن سیستم مناسب باشد، امّا محدودیت‌های عملی ممكن است موجب نیازهای خاصی در سیستم شود. به دلیل این محدودیت‌های عملی، سطحی از كنترل دستی برای كنترل ارتفاع و ناوبری، به كارگیری شیوه‌های اضطراری در پرواز و حفظ فاصله‌ی عبور و مرور (مخصوصاً در محدوده‌ی هوایی غیر نظامی) مورد نیاز می‌باشد. تمام این نیازها باید به عنوان قسمتی از مجموعه‌ی سیستم آزمایش شوند. مؤلفان این مقاله، معتقدند كه مأموریت هواپیماهای بدون سرنشین و محموله باید ملزومات خودكار شدن را تعیین كنند و این موارد مستقیماً بر آزمایش و ارزیابی تأثیر خواهند گذاشت. تأكید این مقاله بر این است كه رویكرد نظام‌مند به هنگام توسعه‌ی سیستم هواپیماهای بدون سرنشین و طرح‌ریزی برنامه‌ی آزمایش و ارزیابی آن، لازم است. موضوعات مورد بحث در این مقاله از تجربه‌های نویسندگان در پروژه‌ی جاریِ توسعه‌ی هواپیماهای بدون سرنشین برای شركت‌های اكتشاف معدن استرالیا به دست آمده است.

مقدمه

هواپیمای بدون سرنشین را می‌توان به این شكل تعریف كرد: "وسیله‌ی هوایی بدون اپراتور انسانیِ مستقر در كنار صفحه‌ی كنترل هواپیما كه نیروهای آیرودینامیكی را برای پرواز و رسیدن به حالت مطلوب و مسیر غیر بالستیك تحت كنترل خودكار یا از راه دور به كار می‌گیرد تا محموله‌های حساس (خطرناك) و غیر حساس را حمل كند" (لَكس و سوذِرلَند، 1996، پی.2). تا چند سال اخیر، عمده‌ی كاربرد هواپیماهای بدون سرنشین در شناسایی و مراقبت‌های نظامی بوده است. امّا اخیراً گرایش‌های جدیدی به این هواپیماها به دلیل پیشرفت‌های فنّاورانه‌ی مدرن در زمینه‌ی مواد بدنه‌ی هواپیما، سیستم‌های هدایت، پیشرانه و محموله‌های تأثیرگذاری كه انتظار می‌رفت دست‌یابی به آن پیچیده‌تر باشد، به وجود آمده است.

 

شكل1- طبقه‌بندی هواپیماهای بدون سرنشین (مطابق لَكس و سوذِرلَند،1996)

 

هواپیماهای بدون سرنشین مدرن، به سمت هواپیماهایی با قابلیت بالا و كنترل پرواز كاملاً خودكار گرایش دارند (وُنگ، 1997). با بیش از 200 نوع هواپیمای بدون سرنشینی كه هم‌اكنون در جهان مورد استفاده قرار می‌گیرند (ویلیامز، 2002 اِی، پی. 6)، تنوعی از كاربردها شامل موارد زیر برای این پرنده‌ها وجود دارد:

  • كاربردهای نظامی:

                 شناسایی؛

                 تجسس؛

                 سامانهی مسلح شده؛

                 هدف كنترل از راه دور؛

                 فریب؛

                 مخابرات و رله‌ی ارتباطی.

  • كاربردهای تجاری:

                  اكتشاف معدن؛

                 ارتباطات؛

                 مراقبتهای خطوط جریان قوی؛

                 گشتزنیهای ماهی‌گیری؛

                  نظارتهای محیطی.

  • كاربردهای تحقیقاتی:

                 تحقیقات جوّی؛

                هوش مصنوعی؛

                تحقیق و توسعهی سیستمهای هوافضایی.

  • حركت به سوی خودكار شدن

اگر چه سیستم طبقهبندی قابل قبولی از هواپیماهای بدون سرنشین وجود ندارد، امّا می‌توان آنها را برحسب سیستم كنترل و قابلیت استفاده‌ی مجدد طبقه‌بندی كرد (همچنان كه در شكل 1 آمده است). به طور كلّی، با به وجود آمدن پیشرفت‌های فنّـاوری، روند هواپیماهای بدون سرنشین از توسعه‌ی هواپیماهای بدون سرنشین كنترل شونده از راه دور ( RPV: Remote Piloted Vehicle) به سمت توسعهی هواپیماهای خودكار بوده است. به هر حال، برخی از مأموریتهای ویژه (نظیر اكتشاف معدن)، در كنار شرایط كنترلی خاص این هواپیماها (خصوصاً برای پرواز در مناطقی كه هواپیماهای مسافری پرواز می‌كنند)، نیازهای بیشتری را برای توسعه‌ی هواپیماهای كنترل از دور ایجاد كرده است.

 

مأموریت‌های ویژه

هواپیماهای بدون سرنشین، به طور متداول، برای مأموریت‌هایی ویژه طراحی و توسعه یافته‌اند. به منظور تعادل مشخصات پرنده با تجهیزات محموله، برایند سیستم‌های پرنده برای مأموریتهای خاص میباشد و سازگاری آنها برای انواعِ دیگرِ مأموریت، اگر غیر ممكن نباشد، مشكل است.

نمونه: اكتشاف معدن

كاربرد هواپیماهای بدون سرنشین در فعّالیتهای هوایی اكتشاف معدن یك نمونهی خوب از مأموریتهای ویژه برای پرنده‌هایی با چنین پیچیدگی است. استفاده از آرپیویها برای چنین مأموریتهایی، یك پیشرفت قابل قبول نسبت به روشهای زمین‌پیمایی سنتی (كه با استفاده از هواپیمای بال ثابت و سیستمهای مبنی بر هلی‌كوپتر صورت می‌گیرد) می‌باشد. مأموریت‌هایی كه به طور نمونه، به وسیله‌ی هواپیمای بال ثابت و هلی‌كوپترها صورت می‌گیرند به طور ذاتی خطرناك هستند؛ به دلیل اینكه چنین پروازهایی عموماً در ارتفاعات پایین و سرعت‌های كم صورت می‌گیرند. نمونه‌های زیادی (ماتیوس، میشل اِت آل.، 2002) ازحوادث زیان‌بار و بعضاً كشنده كه در استرالیا و خارج از آن اتفاق افتاده است به عنوان یك نتیجه‌ی مستقیم از پروازهای اكتشاف معدن، وجود دارد.

هواپیماهای بدون سرنشین برای اهداف اكتشاف معدن یك چالش ویژه را پیش رو قرار می‌دهند كه برای سیستم‌های توسعه داده شده‌ی دیگر و برای مأموریت‌های دیگر وجود ندارد. این وسایل ویژه برای مأموریت ارتفاع كم (ارتفاع‌های كمتر از 400 پا) طراحی شده‌اند كه برای این ارتفاع، اغتشاشات، موانع زمینی و ارتباطات فركانس رادیویی (فركانس بالا) به عنوان یك چالش محسوب می‌شوند. البته طراحی بدنه‌ی هواپیما به گونه‌ای كه حداقل تأثیر ناسازگار را روی حسگر داشته باشد، نسبتاً ساده است.

 

محدودیت‌ها

1- ناوبری

مأموریتهای اكتشاف معدن مبتنی بر هواپیماهای بدون سرنشین، ملزومات خاصی را مربوط به ناوبری (بر حسب دقت مسیر، انتهای پرواز و طرحریزی پرواز) میطلبد. این محدودیتها اصولاً به ایمنی پرواز و ملزومات لازم برای تهیهی دادههای دقیق زمینپیمایی مربوط میشود. از نقطه نظر ایمنی پرواز و قابلیت انجام كار، لازم است تا مكان، ارتفاع، مسیر حركت و سرعت هواپیما را در تمام اوقات دانست. طراحی نمایشگر اصلی پرواز در پایگاه زمینی باید عمل نمایش نقشهی تهیه شده توسط جیپیاس را كه این اطلاعات را به علاوهی موقعیت محل برخاست ارائه می‌دهد، فراهم كند.

تفاوت اصلی اكتشاف با هواپیماهای سرنشیندار و بدون سرنشین، در ملزوماتِ لازم برای ایمنی از سقوط در طول انجام مأموریت می‌باشد. محدودیتهای خاتمهی پرواز در بسیاری از موارد، همان محدودیتهای مربوط به موشك هستند كه در آزمایش و ارزیابی به كار گرفته میشوند. در بسیاری از موارد، این محدودیتها با سطوحی از عملیات كه در "نوتیس تو اِیرمن" (NOTAM) شرح داده شد مطابق خواهند بود. علاوه بر ملزومات ناوبری زمان واقعی، لازم است كه امكانات برنامه‌ریزی پرواز موجود باشند تا وضعیت جغرافیایی زمین و ملزومات شبكهی زمینپیمایی را برای تهیهی پوشش فركانسهای رادیویی (RF: Radio Frequency) بهینه برای اندازه‌گیری كنترل، تفسیر كنند. آزمایش این قابلیت‌ها به تركیبی از آزمایش پروازهای شبیه‌سازی شده و دقیق نیاز خواهد داشت. در این فاز از آزمایش پرواز، كنترل انسانی بهترین انعطاف‌پذیری را با استفاده از فركانس رادیویی مناسب فراهم می‌كند.

 

2- ارتفاع

مأموریتهای متعارف اكتشاف معدن، در ارتفاعات كم انجام میگیرد (عموماً زیر 400 پا از سطح زمین) كه محمولهی حسگر، دادهها را با دقت بهینه فراهم میسازد. مشكلات فراوانی در هنگام پرواز پرنده در نزدیكی سطح زمین به وجود می‌آید كه اجتناب از موانع محیطی كمترین آنها می‌باشد. همچنین برخی از چیزهایی كه كمتر آشكار هستند پرواز در ارتفاعات كم را مشكل می‌كنند؛ این مشكلات شامل گردبادهای كوچك (كه به ویلی- ویلیز مصطلح است) و جریانهای گردبادی شدیدی می‌شود كه می‌تواند سبب از دست رفتن كنترل هواپیما شود (خصوصاً مواقعی كه W/S هواپیما كم باشد). این موارد محدودیت‌های عملیاتی واقعی هستند كه در موقعیت‌های بی‌شماری به وسیله‌ی سامانه‌های مبتنی بر هلی‌كوپتر و بال ثابت آزمایش شده است. در این سامانهها، از دست دادن كنترل به وسیله‌ی اپراتور آزمایش شده است. الزامات طراحی سیستم كنترل هواپیماهای بدون سرنشین دارای اهمیت ویژه‌ای است. توسعه‌ی چنین سیستم كنترلی كه از عهده‌ی تركیب‌های زیادی از ارتفاع هواپیما و مسیر پرواز برآید، بسیار پیچیده است. راه حل ساده‌تر، وارد كردن كنترل نیروی انسانی با نمایشگرهای پرواز (كه اطلاعات اختصاصی را برای اجتناب از ارتفاعات پروازیِ غیر مطلوب فراهم می‌سازد) است. اگر چه هنوز انتظار میرود كه از دست دادن وسیلهی هوایی در شرایط دشوار اتفاق خواهد افتاد.

جنبهی دیگر پرواز در ارتفاع كم شامل قابلیت حفظ ارتفاع نسبت به زمین است. به منظور داشتن ارتفاع ثابت نزدیك سطح زمین لازم است تا شیوه‌هایی به كار بسته شود كه بتواند بر برجستگی‌های گوناگون زمین كه در بسیاری مناطق زمین‌پیمایی وجود دارد، فایق آید. چنین سیستمی باید از عهده‌ی پستی و بلندی‌های زمین، بوته‌ها و درختان، تخته‌سنگ‌ها، صخره‌های برون آمده و پرت‌گاهها بر آید. این كار، برای سیستمهای كنترل خودكار، چندان ساده نیست. آزمایش‌های عملی نشان داده است كه سیستم‌های كاملاً خودكار در چنین محیطهایی چندان خوب كار نمیكنند. هر چند سیستم هدایت فرمان خلبان، غیر از راهنماییهای دیداری و دست‌یاری خلبان خودكار، با موفقیت برای سال‌های زیادی در عملیات‌های مبتنی بر هلی‌كوپتر به كار گرفته شده است. این فنّاوری ممكن است به تدریج در هواپیماهای بدون سرنشین نیز مورد استفاده قرار گیرد.

باید توجه داشت كه تجربه و فهم روشن از مأموریت و محیط عملیاتی پرواز برای تهیهی تصمیمهای طرح لازم است. برای نمونه، در پروژهی جاری برای اكتشاف معدن، مشخصات مأموریت هواپیماهای بدون سرنشین بر پایهی تجربهی تیم طراحی با بیش از 1000 ساعت پرواز زمینپیمایی توسط بال ثابتهای مختلف و سامانههای مبتنی بر هلی‌كوپتر كه در ارتفاع پایین عمل میكردند، صورت گرفته بود (ویلیامز، 2002 اِی).

 

3- خرابی‌های سیستم

سیستم آرپیوی در معرض بسیاری از خرابی‌های مختلف است كه میتواند شامل سیگنالهای مخابراتی آپلینك (كانال مخابراتی كه سیگنالها را از ایستگاه زمینی به ماهوارهی مخابراتی یا فرستندهی هوایی منتقل میكند) و داونلینك (كانال مخابراتی كه سیگنالها را از ماهوارهی مخابراتی یا فرستندهی هوایی به ایستگاه زمینی منتقل میكند) ، موتور، الكترونیك، سیستم كنترل پرواز، عمل‌گرها و مولد‌های موجود در پرنده شود. مهم‌ترین خرابی مربوط به ارتباطات آپلینك و داونلینك است كه منجر به لغو پرواز بعد از یك دورهی زمانی خاص خواهد شد. مطابق گواهینامهی صلاحیت پرواز استاندارد، بیشتر خرابیهای دیگر میتوانند از طریق سیستم‌های جایگزین و پشتیبان اصلاح گردند. به عنوان مثال، واماندگی سیستم اندازه‌گیری مبتنی بر جریان هوا می‌تواند از طریق تدارك وسایل لازم اختلاف ارتفاع جیپیاس و دادههای سرعت زمینی، اصلاح گردند (این اطلاعات به قدر كافی دقیق هستند كه "هواپیما را به مقصد برسانند"). به علاوه، اگر هر یك از سطوح كنترل دچار خرابی شود، آنگاه آرپیوی میتواند توسط سیستم‌های ثانویه‌ی پرواز، مأموریت خود را ادامه دهد. آزمایشهای اخیر نشان داده است كه این كار به طور رضایتبخشی میتواند كاربرد شبیهساز پرواز را اثبات كند (ویلیامز ،2002اِی).

طرح نمایشگر پرواز در شكل 2 به نمایش در آمده است. این شكل، ملزومات به كار بردن میزان مناسب از دادههای پرواز به اضافهی هشدار و اخطار سیستمها را در صورت خرابی و یا خروج از حدود تعیین شده، نشان میدهد. در بعضی موارد برای راهنمایی خلبان پرواز، سه نمایشگر پشتیبان از دادهها فراهم میشود. همچنین باید به این نكته‌ی مهم باید توجه كرد كه هیچ تلاشی برای كاملاً خودكار كردن سیستم صورت نگرفته است؛ بلكه تنها اقداماتی برای تهیهی میزان مناسبی از دادهها برای خلبان و تدارك میزان مناسبی از دست‌یاری خلبان خودكار، صورت گرفته است.

شكل 2- نمایش‌گر اولیه‌ی پرواز

 

4- مدیریت فضای هوایی

مأموریتهای اكتشاف معدن معمولاً در محیط هوایی كنترل شده و بعضاً در فضاهای دورتر اتفاق میافتد. به بیان بهتر، عملیاتها معمولاً در ارتفاع پایین صورت میگیرند تا حسگرهایی كه روی وسیله‌ی پرنده نصب شده‌اند توانایی تحلیل اطلاعات را داشته باشند. با این وجود ملزوماتی وجود دارد كه هواپیماهای بدون سرنشین مطابق مقررات وضع شده برای مناطق هوایی غیر نظامی عمل كنند. در استرالیا، مرجع ایمنی هوانوردی غیرنظامی (CASA: Civil Aviation Safety Authority) مقررات ویژهای را برای عملیات هواپیماهای بدون سرنشین وضع كرده است (2001). اگر چه این قانونها در جهت عملیات هواپیماهای بدون سرنشین تجاری میباشد، فعالیتهای آزمایش پرواز نیز به مجوز نیاز خواهند داشت؛ یعنی اپراتور، به گواهینامهی اپراتور سیایاسای نیاز خواهد داشت. این مسأله مستلزم آن است كه اپراتور، مجوز خلبانی را با ارزیابیهای مناسبی داشته باشد و توسط مراكز تعمیر و نگهداری معتبر با مقررات عملیاتی ثابت پشتیبانی گردد. بنابراین توسعه‌ی هواپیماهای بدون سرنشینِ كاملاً خودكار، بدون توانایی استفاده از كنترلِ (نظارت) فعال برای هر یك از موانع ترافیكی، یا اتمام پرواز، كار ساده‌ای نیست. به علاوه، دارندهی گواهینامه ملزم است تا این ارزیابیها را بر روی قابلیت پرواز هواپیماهای بدون سرنشین (تا زمانی كه لازمند) انجام دهد. بنابراین علی‌رغم میزان خودكار بودن كنترل هواپیماهای بدون سرنشین، اپراتور هنوز به یك سطح متعارف از مهارت و آزمایش و توانایی استفاده از كنترل فعال پرواز، در صورت لزوم، نیاز خواهد داشت.

 

آزمایش و ارزیابی هواپیماهای بدون سرنشین

1- نیازهای واقعی آزمایش پرواز

آزمایش پرواز هواپیماهای بدون سرنشین، ارزیابی‌های بیشتری را نسبت به ارزیابیهای معمول برای عملكرد سیستم میطلبد. در صنعت هوانوردی وسیلهی هوایی بر مبنای مشخصات پرواز، كارآیی پرواز و سودمندی ارتباطات هوایی ارزیابی می‌شود (مدرسهی آزمایش خلبانی ملّی، 1995). اگر چه پیكره‌بندی وسیلهی پرنده، مهمترین مولفهی سیستم هواپیمای بدون سرنشین است، امّا نهایتاً این عملكرد سیستم است كه تعیین‌كننده‌ی توانایی سیستم در انجام موفق عملیات خواهد بود (عملكرد سیستم شامل دو پارامتر مهم هزینه‌ها و ایمنی پرواز نیز هست). بنابراین، قابلیت اطمینان سیستم، همراه با مشخصات پرواز، كارایی پرواز، و سودمندی ارتباطات هوایی، یك ارزیابی مهم عملكرد سیستم میباشد.

قابلیت اطمینان سیستم تعیین‌كننده‌ی نرخ از دست رفتن هواپیماها، كمیت تولید، ملزومات تعمیر و نگهداری و در نتیجه هزینههای عملیاتی و قابلیت دوام سیستم می‌باشد. به علاوه میزان خودكار بودن هواپیما، قابلیت اطمینان سیستم را نسبت به حوزههای مختلفِ وابسته به رشد فنّـاوری تعیین خواهد كرد. اینكه آیا كنترل خودكار میتواند قابلیت اطمینان سیستم را به طور قابل توجهی افزایش دهد به عوامل بسیاری وابسته است و نمیتوان بدون اطلاعات جزیی از سیستم در مورد آن اظهار نظر كرد. اگر چه، میتوان گفت كه قابلیت اطمینان سیستم‌های پیچیده نمیتوانند بدون آزمایش ساختاری بررسی گردند. این یك معمای مهندسی كلاسیك است كه در صورت فقدان دادههای قابلیت اطمینان یك سیستم، نمیتوان ارزیابی خوبی را از مسائل اقتصادی سیستم ارائه كرد. به علاوه، گردآوری دادههای قابلیت اطمینان، ریسك آزمایش پرواز را تا حد قابل توجهی كاهش میدهد. این موضوع، یكی از مهمترین مشكلات پیش روی آزمایش پرواز هواپیماهای بدون سرنشین می‌باشد.

 

2- چالش‌های پیش رو

علاوه بر قابلیت اطمینان سیستم، دیگر چالشهای آزمایش پرواز مربوط به حوزهای از تكنیكهای آزمایش پرواز برای هواپیماهای سرنشیندار می‌شود كه میتواند در هواپیماهای بدون سرنشین به كار رود. آزمایش پرواز هواپیماهای بدون سرنشین میتواند به قسمتهای كلاسیك مشخصات پرواز، عملكرد و ارزیابی ارتباطات هوایی، كه پیشتر به آن اشاره گردید، تقسیم شود. در سطح ارزیابی مشخصات پرواز، چالشها به نبود پسخورد نیروی سیستم كنترل دستی، نبود پاسخ نوسانی و ارتعاشی، و حساسیتهای كنترل طولی، سمتی و عرضی (بیشتر به دلیل اندازهی كوچك هواپیما) مربوط میشوند. این حساسیتهای كنترل، شبیه مشكلات هواپیماهای دست‌ساز خانگی (Homebuilt) كوچك است.

در زمینه‌ی عملكرد، آسیب‌پذیری بالای هواپیما از تندباد و اغتشاشات جوی باعث ایجاد مشكل در پایدارسازی هواپیما می‌شود. محدودیتهای عمودی و عرضی محدوده‌ی هوایی باعث ایجاد نیاز به تكنیك‌های جدیدی در آزمایش پرواز می‌شود. هر چند گزینه‌هایی برای افزایش محدودیت‌های عمودی از طریق NOTAM وجود دارند. با توجه به چالش‌های خلبانی هواپیماهای بدون سرنشین، یكی از مسائل مهم تعیین سطح خودكاری سیستم كنترل در هنگام طراحی آن است. این مسأله تابعی از مأموریت و محدودیت‌های مالی نیز می‌باشد. به علاوه، به دلیل طبیعت تجهیزات و محدودیتهای فنّـاوری نمایش، تهیهی قالبهای نمایش پرواز ممكن است به طور كامل از تمرینهای متداول هوانوردی پیروی نكنند. در فقدان چنین نمایش پروازهایی و حساسیتهای طبیعی كنترل (به دلیل اندازهی فیزیكی كوچك) لازم است تا این مسأله كه آیا هواپیما عملكرد و مشخصات پرواز رضایت‌بخشی دارد یا نه بررسی شود. همچنین محمولهی حسگر ممكن است به نرخ اختلالات كوچك حساس باشد كه این موضوع خود عاملی برای پیادهسازی خلبان خودكار میباشد. بنابراین مشخصات پرواز طولی و عرضی- سمتی هواپیما و چگونگی اجرای خلبان خودكار، تأثیرات قابل توجهی بر كیفیت دادهها و در نتیجه كارایی مأموریت خواهند داشت.

 

3- وسایل آزمایش

سطوح دیگری كه توجه كافی به آن نشده است زیربناهای زمینی لازمی است كه آزمایش پرواز و آزمایش زمینی سیستم هواپیماهای بدون سرنشین می‌باید در آن انجام شود. البته لازم به ذكر است كه به دلیل وجود سیستم‌های ارتباطی از هواپیما به زمین و بالعكس، دیگر نیازی به مكان‌های خاص برای اندازه‌گیری موقعیت، ارتفاع، جهت و سرعت هواپیما نیست و می‌توان این پارامترها را به وسیله‌ی حسگرهایی كه در خود پرنده نصب می‌شود مستقیماً اندازه‌گیری كرد و به مركز زمینی ارسال نمود. ناحیه‌ی آزمایش باید در محیط هوایی كنترل شدهی غیرنظامی قرار گیرد و نباید در محیط ساختمانی و یا محیط‌هایی كه دارای موانعی نظیر خطوط نیرو، سازهها و یا درختان بلند هستند باشد. زمان لازم برای انتقال به ناحیه‌ی آزمایش و برگشت از آن نیز موضوع مهمی است و نقش قابل توجهی را در انتخاب ناحیهی آزمایش بازی می‌كند؛ چرا كه آزمایش و ارزیابی عملیاتی مستلزم انتقال هواپیماهای بدون سرنشین به محدوده‌ی آزمایش كه معمولاً در ناحیهای دوردست واقع شده است، می‌باشد.

سطوح دیگری كه معمولاً در آزمایش و ارزیابی هواپیماهای بدون سرنشین مطرح نشده است، تست تونل باد و انجام آنالیز آیرودینامیكی میباشد. در نمونهی اكتشاف معدن كه در این مقاله به آن اشاره شده است، استفاده از ابزارهای مدل‌سازی آیرودینامیكی مبتنی بر نرمافزار برای تهیهی بیشترین داده به منظور توسعهی طراحی بال، كافی بود. اگر چه این ابزارهای نرمافزاری قادر نبودند تا ممانهای مفصل سطوح كنترل آیرودینامیكی (ایلرون، الیویتور و رادر) را پیشبینی كنند. ممان مفصل آیرودینامیكی یك پارامتر مهم است، زیرا كمیتی است كه اندازهی بار تحمیلی بر عملگر را مشخص میكند. ممان مفصل بزرگ، به قدرت زیاد عملگر نیاز خواهد داشت و همچنین تأثیر معكوس بر قابلیت اطمینان عملگر (به دلیل كششهای متداول) خواهد گذاشت. اگر چه روشهای تونل باد میتوانند یك تقریب مرتبه اول از این پارامتر فراهم كنند، امّا به طور كلی آزمایش پرواز، قابل اطمینانترین روش است. قدرت زیاد مورد نیاز عملگر، همچنین بر قابلیت اطمینان تأثیر می‌گذارد. تیم پروژه‌ی توسعه‌ی هواپیماهای بدون سرنشین برای اكتشاف معدن، واماندگی عملگر را كه در طی آزمایش سطح كنترل پیش از پرواز رخ می‌دهد، آزمایش كرده است. این واماندگی، آغازگر فعالیت‌های وسیعی برای آزمایش عملگرها در زمین بود. البته كار آزمایش عملگر همچنان در حال ادامه است و پیش از این موجب چندین تغییر كه به طور بالقوه قابلیت اطمینان عملگر را بهبود خواهند بخشید، شده است.

 

روش‌های پیشنهاد شده

1- آزمایش پرواز

قوانین معروف و سرانگشتی در زمینهی طراحی هواپیما بیان میكند كه نباید موتور آزمایش نشده در بدنهی آزمایش نشده تست شود. آزمایش و ارزیابی توسعهای سیستم هواپیمای بدون سرنشین با بدنهی آزمایش نشده و ارتباطات هوایی آزمایش نشده و ایستگاه كنترل زمینی آزمایش نشده، پیچیدهتر شده است. به علاوه، موتوری كه در هواپیماهای بدون سرنشین به كار برده میشود معمولاً مبنی بر سطح فنّـاوری هواپیما است كه بسته به كاربرد و شكل مأموریت، تفاوت قابل توجهی دارند. این مسأله، مجهولات دیگری را در معادلهی آزمایش وارد میكند. به طور خلاصه چهار عنصر اصلی سیستم وجود دارند كه باید با تغییرات پلهای، هركدام با میزان ریسك مختلف، تست شوند.

چگونگی نزدیك شدن به مسأله‌ی فزاینده‌ی یكپارچه‌سازی زیرسیستم‌های مختلف، با توجه به قیود فنی مختلفی كه مسأله را همراه با ریسك می‌سازند، كلید موفقیت (یا عدم موفقیت) در برنامههای آزمایش پرواز است. برنامههای آزمایش به گونه‌ای طراحی می‌شوند كه در ابتدا آزمایش‌های كم خطر و سپس آزمایش‌های پرخطرتر انجام گیرند.

نقشهی كلی آزمایش و ارزیابی (TAMP: A Test and Evaluation Master Plan) یك ملاك كامل به كار رفته برای هماهنگ كردن فرایند آزمایش است. تیایامپی باید آزمایش پرواز را به فازهای "آزمایش و ارزیابی توسعهای" و "آزمایش و ارزیابی عملیاتی اولیه" (IOT&E: Initial Operational T&E) تجزیه كند. آزمایش و ارزیابی توسعهای، مشخصات پرواز هواپیما، عملكرد پرواز و نمایش پرواز را در بر خواهد گرفت؛ در حالی كه آزمایش و ارزیابی عملیاتی اولیه، ارزیابیهای عناصر اجرای مأموریت را شامل خواهد شد. فرم مأموریت و محدودیتها، ساختار برنامهی آزمایش را از طریق طراحی قالب آزمایش پرواز و انتخاب مهارتهای آزمایش پرواز، تعیین میكند (برای مثال، رجوع شود به ویلیامز).

 

شكل 3 - هواپیمای بدون سرنشین تـِرِیـنـِر

 

تعیین تعداد هواپیماهای لازم برای برنامهی آزمایش پروازِ نسبتاً پرخطر، مشكل است؛ زیرا دادههای قابلیت اطمینان واقعی در دسترس نیستند. در نبود این دادهها، این موضوع تا حدی با روندهای پیشین انجام شده است. به عنوان نمونه معمولاً سه بدنه برای آزمایش‌های پرواز مورد استفاده قرار می‌گیرد. در شكل 3 اولین هواپیمایی كه برای شركت در اكتشاف معدن به كار گرفته شد، آمده است.

برنامهی آزمایش زمینی جامعی در رابطه با برنامهی آزمایش پرواز وجود دارد كه حوزهی اتصال دادههای فركانس رادیویی، سیستمهای اتمام پرواز، عملكرد سیستم‌های الكترونیكی، فعالیت موتور، سازگاری‌های الكترومغناطیسی، تعادل و وزن بدنه و كیفیت نرم‌افزار نمایش پرواز را اداره می‌كند. اگر چه تمركز این مقاله روی این مسأله نیست، اما این جنبه از آزمایش‌ها نیز باید با آزمایش و ارزیابی توسعه‌ای یكپارچه شود.

شبیهسازی در تمام این سطوح نقش مهمی را ایفا میكند. كاركرد خلبان خودكار نیز، وابسته به میزان مهارت لازم برای هدایت عناصر اجرای مأموریت، به طور پله‌ای اضافه شده است.

2- شبیه‌سازی پرواز

الگوی ریاضی هواپیماهای بدون سرنشین به طور گسترده‌ای در برنامههای توسعه‌ای استفاده شده است. یك الگو از این نمونه می‌تواند برای برنامه‌ریزی آزمایش پرواز، خرابی سیستمها، ارزیابی خلبان خودكار، توسعه‌ی شیوه‌های حالت واماندگی و اضطراری و ارزیابی مشخصات پرواز عملیاتی به كار رود. نمایی از نرم‌افزار شبیه‌سازی پرواز در شكل 4 نشان داده شده است.

نرم‌افزار شبیهسازی پرواز، این قابلیت را دارد كه برجستگی‌های زمین، عوارض محل برخاست و فرود هواپیما، شرایط اتمسفر (باد، اغتشاشات و دمای هوا)، خرابی‌های تجهیزات ارتباطات هوایی و موتور مبتنی بر احتمالات آماری، و چگونگی كار خلبان خودكار را مدلسازی كند.

شكل 4 -مدل هواپیماهای بدون سرنشین "ترینـر" در محیط شبیه‌سازی

 

شبیه‌سازی و نمایش پروازِ هواپیما ابزاری مهم برای پاسخ به این سؤال است كه: "آیا هواپیما می‌تواند در حالت كنترل دستی و تحت شرایط واقعی اتمسفر در ارتفاع پایین به درستی پرواز كند؟". نرم‌افزار شبیه‌ساز برای مأموریت اكتشاف معدن، سطح مهارت ناوبری را تحت شرایط تندباد و هوای متلاطم در خلال اجرای پرواز كم ارتفاع زمین‌پیمایی، در اختیار می‌گذارد.

علاوه بر آنچه گفته شد نرم‌افزار شبیه‌سازی پرواز، اطلاعات اضافی غیر دسترس از آزمایش پرواز را نیز فراهم می‌كند. تغییر زاویه‌ی سطوح كنترلی هواپیما، سرعت و شتاب بدنه در 3 محور متعامد توسط این نرم‌افزار قابل مشاهده و ثبت است. همچنین پارامترهای دیگری نظیر موقعیت مركز ثقل، وزن كلی، و خواص جوّی می‌تواند در طی پرواز انفرادی تغییر یابد. به علاوه، می‌توان عناصر خطرناك برنامه‌ی آزمایش پرواز را در جزیی‌ترین حالت ممكن تأمین كرد تا آزمایش‌های بیشتر، با محدودیت‌های ایمنی كمتری صورت گیرد. در هر دو مورد، آرایش سخت‌افزار پرواز ایستگاه كنترل زمینی (GCS: Ground Control Station) واقعی، با سخت‌افزار به كار رفته در ایستگاه كنترل زمینیِ شبیه‌سازی شده، یكسان است. بنابراین، می‌توان آزمایش‌های پرواز شبیه‌سازی شده را به عنوان آزمایش سخت‌افزار در حلقه در نظر گرفت.

از دیگر مزیتهای مهم شبیهسازی پرواز این است كه بررسی گسترده‌ی مشخصات پرواز، عملكرد و نمایشگرهای پرواز می‌تواند قبل از آزمایشهای واقعی انجام گیرد ‍[تا در صورت نیاز اصلاحات لازم روی هواپیما و سیستم‌های آن انجام گیرد - مترجم]. بنابراین می‌توان نتایج شبیه‌سازی و داده‌های به دست آمده از سخت‌افزار آزمایش پرواز را با هم مقایسه كرد؛ بدین ترتیب، ابزار تحلیل و طراحی سودمندی برای توسعه‌ی هواپیما در آینده فراهم خواهد شد.

 

جمع‌بندی

در این مقاله آزمایش و ارزیابی هواپیماهای بدون سرنشین، به خصوص آرپیویها برای مأموریتهای ویژه، از منظر سیستمی مورد بررسی قرار گرفته است. رویكرد نظام‌مند به طراحی و توسعه‌ی هواپیماهای بدون سرنشین مستلزم نگرشی خاص به مسأله است؛ نگرشی كه در آن هواپیما فقط وسیله‌ای برای رسیدن به اهداف است. طراحان و آزمایش‌كنندگان هواپیماهای بدون سرنشین می‌باید به درك روشنی از مأموریت و حساسیت‌های محموله‌ی حسگر (كه نیازهای اندازه، شكل و عملكرد هواپیما را به اضافه‌ی موقعیت ایستگاه كنترل زمینی و روش‌های پرتاب و بازیابی تعیین می‌كنند) برسند. آرپیویها (هواپیماهای بدون سرنشینی كه توسط خلبان زمینی كنترل می‌شوند)، برای مأموریت‌های خاصی همچون اكتشاف معدن سودمند هستند.

ماتریس ریسك آزمایش پرواز در حالتی كه اجزای پرنده (نظیر موتور، بدنه، سیستم الكترونیك و ایستگاه كنترل زمینی) از پیش به صورت جداگانه آزمایش نشده باشند بسیار پیچیده خواهد بود. آزمایش پرواز هواپیماهای بدون سرنشین همچنین از این نظر كه تثبیت و پایداری هواپیما حول نقطه‌ی مورد نظر مشكل می‌باشد، چالش‌های بیشتری را در بر خواهد داشت. این چالش‌ها خصوصاً در حالتی كه آزمایش پرنده در W/S پایین، P/W بالا و یا اینرسی كم مد نظر باشد، مضاعف خواهد شد. به علاوه، در هواپیماهای بدون سرنشین به دلیل عدم حضور انسان در پرنده، احساس شتاب، ارتعاش و ضربه به خلبان منتقل نمی‌شود كه این مسأله كنترل پرنده در شرایط خاص را دشوار می‌كند.

در این مقاله همچنین چالش‌های دیگری در آزمایش و ارزیابی هواپیماهای بدون سرنشین و در مأموریت‌های خاص (مثل اكتشاف معدن) ارائه شده است. نیاز به انجام عملیات (و همچنین آزمایش پرواز هواپیما) در سرعت و ارتفاع كم و با پیروی از پستی و بلندی‌های زمین مستلزم بهره‌گیری از ابزار مدل‌سازی و شبیه‌سازی برای ارزیابی بخش‌های مختلف هواپیما می‌باشد.

 

مراجع

  1. Civil Aviation Safety Authority 2001, Unmanned Aircraft and Rockets, draft amendments to Part 101 of the Civil Aviation Regulations, CASA, Canberra, Australia.
  2. Lax, M. and Sutherland, B. 1996, An Extended Role for Unmanned Aerial Vehicles in the Royal Australian Air Force, Report 46, Air Power Studies Centre, Fairbairn, Australia.
  3. Mathews, K., Mitchell, S., and Tucknell, K. 2002, Mining Exploration Related Aviation Accidents and Incidents, unpublished report, Newmont Mining Corporation, Adelaide, Australia.
  4. National Test Pilot School 1995, Introduction to Performance and Flying Qualities Flight Testing, National Test Pilot School, Mojave, U.S.A.
  5. Stinton, D. 1996, Flying Qualities and Flight Testing of the Airplane, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Reston, U.S.A.
  6. Williams, W. 2002a, Research Into Unmanned Air Vehicles For Mining Exploration Applications - Quarterly Report, Quarter 1, Sir Ross and Sir Keith Smith Fund, Adelaide, Australia.
  7. Williams, W. 2002b, Test and Evaluation Master Plan - Unmanned Air Vehicles For Geophysical Survey Missions, version 4, unpublished report, Systems Engineering and Evaluation Centre, Adelaide, Australia.
  8. Wong, K. C. 1997, Aerospace Industry Opportunities in Australia Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) - Are They Ready This Time? Are We? [Online, accessed 21 May, 2002]. http://www.aero.usyd.edu.au/wwwdocs /UAV_RAeS_prez_26Nov97.PDF



داغ کن - کلوب دات کام
نظرات() 
معرفی سیستم‌های UAV
دوشنبه 18 خرداد 1394 18:58
دانلود کتاب معرفی سیستم‌های UAV
http://booktolearn.com/?p=3194
ali pouyan rad
یکشنبه 14 اسفند 1390 11:32
gooooooooooood
 
لبخندناراحتچشمک
نیشخندبغلسوال
قلبخجالتزبان
ماچتعجبعصبانی
عینکشیطانگریه
خندهقهقههخداحافظ
سبزقهرهورا
دستگلتفکر
نظرات پس از تایید نشان داده خواهند شد.