что такое рой беспилотников
Пентагон успешно испытал рой из 103 беспилотников
Американская армия разрабатывает принципиально новый вид вооружённых сил — отряды из беспилотных аппаратов с роевым интеллектом. В октябре 2016 года прошли успешные испытания крупнейшего в мире роя микродронов, состоящего из 103 аппаратов Perdix, сказано на сайте министерства обороны США.
Роевой интеллект предусматривает скоординированные действия большого количества агентов (боидов), которые локально взаимодействуют с собой и окружающей средой. Хотя каждый боид следует простым базовым правилам, но в совокупности система роевого интеллекта демонстрирует исключительно сложное совместное поведение. Она действует фактически как единый большой организм.
Например, в финальном эпизоде последнего сезона «Чёрного зеркала» демонстрировали типичную систему роевого интеллекта из роботизированных пчёл, которыми пришлось заменить вымершую популяцию живых пчёл. Так вот, получив простую команду добраться до цели во внутреннем ухе девушки, которую по результатам голосования в твиттере народ признал самой ненавистной девушкой за день, роботы-пчёлы проявляли разные пути её достижения. Некоторые пробовали пробиться через окно, другие через дверь, третьи через вентиляцию. Это не потому что пчёлы такие умные и изобретательные. Совсем наоборот, они действовали исключительно примитивно, следуя базовому набору простых правил. Они пробовали все варианты, тупо тыкаясь во все щели. Это хорошо демонстрирует принцип сложного поведения системы, основанной на простых правилах.
Подвижная скульптура из робопчёл в офисе разработчика. Фото: сериал «Чёрное зеркало»
Поскольку рой роботизированных пчёл получил одно задание, создавалось впечатление, будто им руководит некая невидимая сила. Хотя на самом деле каждый дрон был автономным и руководствовался простым набором базовых правил.
Кстати, в разработке робопчёл из «Чёрного зеркала» киношникам помогали инженеры Гарвардского университета.
Дроны министерства обороны США гораздо менее продвинутые, чем в кино. Да и когда военные именуют их с приставкой «микро-», это может вызвать только усмешку. Может, в словарь нужно занести новое определение слову «микро»?
Микродрон Perdix
Технические характеристики аппаратов:
Пропеллеры: 6,6 см
Корпус: 16,5 см
Размах крыльев: 30,0 см
Вес: 290 г
Время полёта: более 20 минут
Максимальная скорость: более 40-60 узлов (74-111 км/ч)
Пердикс — в греческой мифологии племянник и ученик Дедала.
Роевая система беспилотников разработана Управлением стратегических возможностей (Strategic Capabilities Office, SCO) при Министерстве обороны США, в сотрудничестве с Командованием авиационных систем ВМС США (Naval Air Systems Command). Аппараты были запущены в воздух с трёх палубных истребителей-бомбардировщиков F/A-18E/F «Супер Хорнет».
Во время испытаний группа дронов продемонстрировала ряд уникальных возможностей роевой формации, в том числе коллективное принятие решений, адаптивное изменения строя на лету и «самозаживление» группы.
Каждый из боидов в роевой системе американской армии поддерживал связь с другими боидами. Здесь нет лидера или командира, что позволяет рою успешно переживать потерю отдельных боидов и продолжать скоординированные действия.
По мнению военного руководства, такие группы из дешёвых одноразовых боидов способны эффективно выполнять сложные миссии, для которых сейчас применяются большие, дорогие аппараты. К тому же, отпадает необходимость в постоянном управлении со стороны человека. Люди могут отстраниться от работы таких автономных систем. В отсутствии человека те действуют гораздо эффективнее, поскольку быстрее принимают решения и мгновенно реагируют на внешние факторы.
Perdix — дешёвый, лёгкий дрон, корпус которого печатается на 3D-принтере. Сами беспилотники изначально были созданы студентами Массачусетского технологического института, а потом адаптированы для военного применения учёными и инженерами из лаборатории Линкольна в Массачусетском технологическом институте (MIT Lincoln Laboratory). Работа продолжалась с 2013 года. С тех пор программное обеспечение и аппаратная конфигурация Perdix постоянно улучшались: сейчас это уже 6-е поколение дронов. В будущем апгрейд системы продолжится.
Испытания доказали работоспособность дронов после транспортировки на скорости 0,6 Маха при температуре −10°C, а также после потрясений из-за отстрела ИК-ловушек с истребителей.
В характеристиках Perdix указано, что это беспилотник для разведывательных миссий, но применение роевого интеллекта значительно расширяет функциональность этого аппарата. Несложно представить, как рой таких дронов, вооружённых взрывчатыми боеприпасами (например, гранатами), выполняет боевые задачи.
Применение вооружённых дронов на поле боя призвано уменьшить потери в живой силе, но при этом создаёт дополнительные риски. В феврале 2016 года эксперты опубликовали отчёт, в котором предупреждают о повышении риска ошибочных обстрелов при использовании автономного вооружения: «Это может случиться из-за действий хакеров, манипуляций поведением дрона со стороны врага, неожиданных взаимодействий с окружающей средой или простой поломки и ошибки в программном обеспечении, — пишет Пол Шарре (Paul Scharre) из Центра новой американской безопасности, один из авторов доклада. — Более того, по мере возрастания сложности систем становится всё труднее проверить поведение системы во всех возможных условиях; количество потенциальных взаимодействий между системой и окружением просто слишком велико».
Организация Human Rights Watch призывает к подписанию международного соглашения, которое превентивно запретит разработку, производство и использование автономного вооружения.
Шоу дронов: как мы координировали рой танцующих коптеров
Отелям и паркам развлечений нужны шоу дронов. Артисты и фейерверки — это хорошо, но мало. Нужно придумывать что-то яркое для гостей. Шоу дронов — как раз такой вариант. Мы поучаствовали в проекте организации регулярных шоу дронов для одного иностранного парка развлечений.
И теперь умеем делать такие же шоу в России.
Когда речь идёт о рое из 300 или 1 000 машин во флоте — точность позиционирования (то есть расположения каждого отдельного дрона относительно земли и друг друга) особой роли не играет. Это несущаяся масса, где частицы находятся на расстоянии нескольких метров друг от друга. Очень дорогая масса. Плюс-минус метр тут неважно: они берут тем, что до зрителя далеко, и тем, что дронов реально много. Даже если пара штук упадёт — ничего страшного. Но вот отелям и паркам, организаторам не особо масштабных мероприятий, например, нужны дроны в количестве 20–90 штук, и тут позиционирование критично.
В этом случае можно взять только точностью и синхронностью. Такую задачу мы и решали.
Зачем и как всё это было
В составе КРОК есть подразделение робототехники. Возникло оно в 2012 году и занимается разными интересными вещами, но основное его направление — управление БПЛА. Мы пилим собственные софтинки для управления дронами и решения нестандартных задач. Участникам конкурса-2013 может быть известен вот этот код на гитхабе, который мы разработали и использовали для управления дроном на конкурсе летающих дронов. На тот момент мы решали новую для рынка задачу — заставить дрон зависать в нужном месте, аккуратно обходить углы и препятствия. Сегодня это кажется уже смешным.
Помимо этого, мы делаем проекты по управлению беспилотниками на базе вендорского софта, в том числе на базе софта компании SPH Engineering. У них есть как софтварная наземная станция UgCS, так и полноценный командный центр для больших дронофлотов. UgCS умеет управлять большой группой беспилотных аппаратов, что отличает её от обычных наземных станций управления. Под управлением мы понимаем планирование маршрута полёта, например, для спасательных работ или облёта периметра безопасности, отправку удалённых команд и контроль состояния аппаратов. По сути, для шоу дронов необходимы примерно те же функции, что и в командном центре. И сейчас на базе платформы UgCS появился узкоспециализированный софт Drone Dance Controller, но так было не сразу.
А как было
Софт. Первая версия, которую мы с партнёром опробовали в короткие сроки, использовала стандартную функциональность большинства гражданских дронов, а именно — полёт по заданному маршруту. Маршрут — это набор координат, между которыми беспилотник перемещается по прямой с заданной скоростью, по дороге делая что-нибудь полезное. Для большинства задач, решаемых дронами, такого планирования полёта более чем достаточно. Но в нем как минимум отсутствует синхронизация по времени, т. е. тяжело заставить дрон быть в заданной точке в нужное время, что для группового полёта критично. Однако первая версия — на то и первая версия, чтобы быстро её соорудить и начать летать. Рисуем маршруты стандартным способом (в UgCS, разумеется), грузим в дроны — и вперёд.
Синхронизацию полётов сделали, как и положено, в лоб. В маршрутах дронов были выделены точки, где дрон останавливался и ждал команды с земли, чтобы продолжить полёт. Мы назвали их точками синхронизации. Оператор на земле должен был убедиться, что все дроны добрались до точек синхронизации, и отправить им команду «Continue» для продолжения полёта.
Железо. Первая версия использовала только маршруты стандартного типа, и как следствие разрешала использование дронов от разных производителей. Но мы сразу решили зафиксировать целевую платформу и все тесты проводить на ней.
Готовых дронов для шоу в продаже на тот момент не было. Их нет и на момент написания статьи, но есть надежда, что скоро появятся. Ну а пока приходится собирать самим. Собираем мы их на базе 450-мм рамы, а в качестве автопилота выбрали опенсорсный Pixhawk, чтобы, с одной стороны, развязать себе руки как в части железа, так и в части прошивки. А с другой стороны, чтобы пользователи могли легко купить все необходимые компоненты и собрать нужный продукт самостоятельно. Но вообще строго зафиксирован только автопилот. Остальные элементы конструкции — по желанию.
И важный момент — мы сразу стали ориентироваться на технологию GPS RTK. Она позволяет достичь сантиметровой точности позиционирования относительно наземной базовой станции (у обычного GPS точность 3+ метра).
Да, GPS RTK всё усложняет, поскольку требует наличия приёмников с поддержкой GPS RTK на борту каждого аппарата, на которые нужно постоянно слать данные с наземной станции. Но ничего не поделать: мы понимали, что до больших флотов мы и наши клиенты дорастём не сразу. Сотнями и тысячами дронов в воздухе можно нарисовать прекрасные масштабные объёмные фигуры, в которых положение каждого дрона для глаза не очень критично. А что можно нарисовать несколькими десятками дронов? Скорее всего, это будут некие небольшие несложные геометрические фигуры и их трансформации, для которых абсолютно критична точность полёта. Грубо говоря, дроны должны уметь выстроиться в прямую линию, приятную для глаза и без изъянов.
Дополнительно дроны в Атланте несут на себе RGB-светодиоды. Их работа может быть заложена в миссию либо ими можно управлять с земли, но при этом надо учитывать дополнительную нагрузку на радиоканал. Впрочем, вместо светодиодов дрон может нести на себе и пиротехнические штуки, хотя с ними, конечно, надо быть очень осторожными.
Вот пример одного из первых полётов на первой версии железа и софта (и как раз с пиротехникой). Хорошо видны и нормальные линии (ну ок, ок. Там ещё было над чем работать.), и ручная синхронизация. То есть примерно 40–50 раз за шоу оператор нажимал «Поехали дальше», и затем на дроны рассылалась следующая команда каждому.
Но получилось уже что-то летающее.
Таким образом заказчик отлетал сезон ежедневных шоу.
Как это работает сейчас
На практике первая версия ожидаемо оказалась не самым удачным решением. Во-первых, наличие постоянной ручной синхронизации — зло. Команда «Continue» может не дойти до дрона по причине, например, плохой радиосвязи. В этом случае все улетят дальше, а он, бедный, останется. Во-вторых, невозможно создавать сложные маршруты, что препятствует созданию анимированных картин, возможны только статичные сцены.
Сейчас всё стало проще: примерно полгода назад вендор выпустил специальную версию софтины — Drone Dance Controller, например. Здесь он немного поколдовал над автопилотом и научил его автономно летать по произвольным траекториям с чёткой привязкой к GPS-времени. Траектории можно готовить в 3D-редакторе или с помощью скриптов. От оператора теперь требуется нажать на кнопку «Старт» и уйти курить. На выходе может получиться что-то вроде вот этого:
Но, прежде чем портить лёгкие, команде надо выполнить ответственный этап подготовки к шоу.
Итак, надо, во-первых, подготовить флот: убедиться, что все дроны — в летабельном состоянии, правильно сконфигурированы, и от них ничего не отвалилось за время транспортировки.
Параллельно с этим надо готовить само шоу. Начинаем с анимации, которую можно сделать в 3D-редакторе, например, в Blender:
Дальше мы конвертируем траектории из анимации в формат, понятный для автопилота. И, прежде чем выезжать летать в поле, тщательно проверяем на симуляторах с оценкой результата. Симуляция даёт нам возможность поместить виртуальные инстансы дронов в необходимые координаты и работать с ними на нашем софте как с реальными аппаратами. Можно оценивать их полёт в реальном времени, а также сделать постпроцессинг их перемещений и визуализировать результат в какой-нибудь 3D-сцене.
На видео — пример визуализации с разных точек обзора.
Гиперзвуковые беспилотные рои: проблемы электронной начинки
Гиперзвуковой мейнстрим
Главным в любой ракете является двигательная установка. Для гиперзвуковых аппаратов используются либо двигатели с окислителем на борту, либо прямоточно-воздушные реактивные. Примеры первых можно найти в ракетном комплексе «Кинжал», а прямоточные двигатели применяются в знаменитых российских «Цирконах». При этом сам прямоточный двигатель далеко не новинка. Принципиальная схема была предложена ещё в 1913 году французом Рене Лореном. У двигателя отсутствует компрессорная группа, а необходимое давление в камере сгорания формируется торможением воздушного потока на сверхзвуковых скоростях. Главным минусом такого решения являются трудности работы на традиционных дозвуковых скоростях. Даже если инженеры и предусмотрят прямоточному двигателю возможность полёта на таких режимах, то КПД не превысит 5 %. А запуск мотора без дополнительного ускорителя в данном случае вообще невозможен. Обычно на борту летательного аппарата предусматривается запас окислителя, позволяющего оживить двигатель и набрать необходимую скорость. Сверхзвуковой полёт на скорости около М=3 наиболее «комфортен» для прямоточного двигателя. Термический КПД близок к рекордным 64 %, а температуры вокруг не столь критичны для работы. Сложности начинаются при переходе на скорость выше 5 чисел Маха. Самой главной становится гигантская температура – до 1960 градусов Цельсия. Это требует уникальных материалов. К примеру, для российских гиперзвуковых ракет «НПО «Машиностроения» разрабатывает целый класс жаропрочных титановых сплавов. Это, кстати, технологическое преимущество России – оборонная промышленность ещё со времён Советского Союза научилась пользоваться очень привередливым титаном. Конструкция гиперзвуковых прямоточных двигателей осложняется ещё и сверхзвуковым течением газов в камере сгорания.
В копилку гиперзвуковых сложностей добавляется невозможность наземных испытаний. Создать на суше аэродинамическую трубу по 5-10 чисел Маха очень затруднительно, если вообще возможно при сегодняшнем уровне технологий. А любые испытания гиперзвуковых ракет заканчиваются разрушением опытных образцов. Во многом это схоже с опытами с боеприпасами, только уровень затрат здесь многократно выше.
Гиперзвуковой рой
Мировым лидером в области серийных гиперзвуковых технологий является Россия. И это не банальная бравада – большинство иностранных СМИ согласны с этим. Правда, не забывают упомянуть об исторической справедливости с их точки зрения. Первыми в гиперзвуке были гитлеровцы с технологиями «Фау-2», гораздо позже американцы экспериментировали с аналогичной техникой – X-15, X-43 и Lockheed X-17. Наконец, китайцы осенью 2019 года представили ракету DF-17. Дальность полёта аппарата около 2,5 тыс. километров при скорости в 5 Махов. При этом DF-17 базируется на колёсном шасси, что серьёзно усложняет его обнаружение и противодействие.
Ещё одним летательным аппаратом китайской армии является гиперзвуковой Starry Sky-2 – «Звёздное небо-2». Американцы, выступающие в данном случае в роли отстающих, уверяют, что в 2018 году ракета достигла скорости 6 Махов на высоте в 30 км. Китайские гиперзвуковые разработки, наряду с российскими, сейчас впереди планеты всей, и инженеры могут позволить себе прогнозировать будущее.
Так, исследователи Пекинского технологического института в 2020 году высказали предположение, что следующим шагом развития гиперзвука станут рои беспилотников. В полной аналогии с эволюцией ударных и разведывательных дронов, превращающихся в небе в «коллективный разум». Учитывая возможности искусственного интеллекта, даже обычные дроны с пропеллерами, собранные в рои, вызывают закономерную оторопь. А здесь Китай предрекает появление гиперзвуковых роев.
Подобные изречения не бросают зря. Либо Пекин ведёт соответствующую работу, либо пытается прощупать почву и отследить реакцию потенциальных противников. Как бы то ни было, у такого решения очень много фундаментальных препятствий. Многие из них уже частично решены. Прежде всего, это мощнейшие ударные и тепловые нагрузки на корпус и начинку аппаратов при малейшем маневрировании на гиперзвуке. Это требует уникальных материалов, а также ударопрочной и жаропрочной электроники. Гиперзвуковой объект движется в слое высокотемпературной плазмы, практически непроницаемой для радиоволн. Если одиночные ракеты могут двигаться по заранее заданному маршруту, не связываясь с «центром» в гиперзвуковом режиме, то коллективу ракет такого недостаточно. Здесь требуется высокоскоростная связь между отдельными беспилотниками. Исследователи из Пекинского технологического института намекают на разработку собственной мобильной сети для искусственного разума гиперзвуковых роев.
Компания Curtiss-Wright предлагает свои услуги вооруженным силам США в области разработки электронного оборудования для гиперзвуковых ракет. Американские инженеры считают, что основными требованиями к электронным чипам и оборудованию будут: миниатюрность, жаропрочность, скромное энергопотребление, возможность работы при низком давлении и устойчивость к ударам. Как утверждают разработчики, военным приходится обращаться к гражданским разработчикам, так как только они обладают необходимыми компетенциями в области миниатюризации и снижения энергопотребления электронных компонентов. Достаточно вспомнить эволюцию сотовых телефонов. В этой связи российским оружейникам сложнее – в стране фактически отсутствует гражданская микроэлектроника собственного производства.
Рой беспилотников. Дротики, пульки и жала
Звучит всё это веско, но в массовых и очень подвижных боях, которые будут вестись при полномасштабных войнах современного типа, все эти рои станут просто бесполезны, ну, может быть, сумеют сыграть какую-то роль в самом начале боевых действий, при их подготовке. Крупные и средние БПЛА большой дальности тихоходны, легко обнаруживаются и сбиваются обычными видами ПВО и авиации, тем более если будут лететь кучей. А мелкие и мельчайшие БПЛА летают недалеко, невысоко, медленно и по-прежнему могут действовать только при ясной, безветренной погоде. То есть площадки запуска и управления этими БПЛА должны быть в ближайшей прифронтовой полосе и, следовательно, будут в зоне поражения лёгкой артиллерии и даже миномётов. Или эти рои БПЛА надо будет запускать с самолётов или вертолётов, которые тоже будут подвергаться немедленным атакам, ещё на подлёте к точке выпуска своих БПЛА.
И встаёт в моей памяти классическое документальное кино, запечатлевшее атаку японских самолётов-смертников на американский авианосец. На максимальной скорости камикадзе стараются врезаться в почти стоящий гигантский корабль, а с него по всему периметру поливают огнём подлётную зону многоствольные зенитные автоматы системы «Эрликон». Камикадзе влетают в эту огневую завесу, кто на куски разлетается, а кто теряет управление, сбрасываются с курса, в общем, все оказываются в воде вместо авианосца. Вот и я себе представляю, как мелкие беспилотники-камикадзе кучей стремятся «грохнуть», скажем, штаб дивизии, а подлётную зону к штабу поливают мелкой дробью многоствольные гладкоствольные зенитные автоматы. А мелкий беспилотник даже от попадания одной дробинки выходит из строя. Рой же разведчиков-корректировщиков, который кружит повыше камикадзе, расстрелять из тех же дробострелов с обыкновенного вертолётика, и вся «любовь». Дёшево и сердито!
P. S. Свою первую статью с предложением дробострелов для борьбы с мелкими и мельчайшими беспилотниками я опубликовал в 2016 году. И недавно пришло сообщение, где рассказывается, что концерн «Алмаз-Антей» начал эксперименты по установке дробострелов на беспилотники, чтобы бороться с роями мелких БПЛА. А я месяц назад видел по ТВ, как в Америке демонстрировали беспилотники величиной с воробья, на которые устанавливаются мельчайшие видеокамеры и заряды в 2 грамма тротилового эквивалента. Такой заряд, взорвавшись рядом с головой человека, раздолбает её в куски, несмотря на любые шлемы. Американцы показывали этих «птичек», дабы обсудить, что придётся делать, когда такие технологии окажутся в руках террористов, и они попробуют их применить в городах?
Да уж! Военно-технический прогресс скачет, опережая самые безумные фантазии. И захлебнутся своей кровью те, кто за ним не поспеет. Вся история человечества наглядно показывает это.
Атака роем дронов: как защититься от новых способов воздушного нападения
Беспилотная авиация, будучи одним из относительно новых средств военно-воздушных сил, не случайно получает все большее распространение. Относительно недорогие по сравнению с самолетами БПЛА позволяют не только экономить средства, но и свести к минимуму человеческие потери. Экипажей у БПЛА нет, соответственно и гибнуть в случае удара вражеской авиации или ПВО некому.
Что интересно, Саудовская Аравия, которая тратит огромные деньги на оборону и по своему военному бюджету превосходит большинство стран мира, оказалась не в состоянии отразить эти атаки. Система противовоздушной обороны не среагировала и по нефтяным объектам были нанесены удары, нанесшие колоссальный ущерб саудовской экономике.
Турция уделяет большое внимание развитию беспилотной авиации и обладает большим количеством дронов. Поэтому как только обстановка в Идлибе обострилась, турецкие вооруженные силы приступили к регулярным атакам позиций сирийских правительственных войск с помощью БПЛА.
Свою роль здесь сыграло и то, что воздушное пространство Сирии было закрыто для турецких самолетов. Поэтому турки атаковали дронами и причиняли этими атаками очень большой ущерб сирийским войскам: БПЛА били по войсковым колоннам, блок-постам и даже по отдельным военным автомобилям.
Сейчас от использования одиночных беспилотников переходят к тактике атаки их роем. При определенном управлении с земли дроны могут выстраиваться в боевое построение. Пока это весьма примитивные фигуры и непродолжительные действия, но по мере развития искусственного интеллекта будут совершенствоваться и возможности атаки роем беспилотников.
Ее несомненные плюсы в том, что в ней участвует большое количество беспилотных летательных аппаратов. При этом наибольшую опасность представляют малые дроны, которые чрезвычайно сложно засечь радарам противовоздушной обороны. Если же они действуют роем, то у сил ПВО просто не будет возможности отразить одновременное нападение десятков беспилотных летательных аппаратов.
Огромная опасность распространения подобной тактики заключается и в том, что дроны активно применяют не только вооруженные силы государств, но и негосударственные, в том числе и террористические вооруженные формирования. Тем самым, действия террористов приобретают совершенно новый облик, их разрушительные последствия серьезно возрастают. Соответственно, встают новые задачи и перед силами противовоздушной обороны – совершенствовать свои технические и тактические возможности по отражению атак как отдельных беспилотников, так и групп БПЛА.
Одним из главных инструментов противодействия атаке дронов являются средства радиоэлектронной разведки, засекающие каналы управления беспилотниками. Кроме того, необходимо развитие средств подавления каналов управления беспилотными летательными аппаратами. С их помощью дроны можно выводить из строя задолго до того, как они достигли цели.
Естественно, в дальнейшем развитии нуждаются и огневые средства противовоздушной обороны. Сейчас наиболее эффективны против дронов комплексы «Панцирь-С1», что же касается таких комплексов как С-400, то их использование против БПЛА нерентабельно: одна ракета, запущенная из С-400, может стоить как сотни беспилотников, особенно если говорить о дронах, изготавливаемых террористами в полукустарных условиях. Эффективной защитой о роя становится и использования средств радиоэлектронного подавления. Перехват управления беспилотником противника в конечном итоге способен нанести ущерб самому противнику, включая ущерб технологического плана.