پهپاد (UAV): جنبه های عملی، برنامه های کاربردی، چالش های باز، روندهای آینده

وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (پهپادها) که به نام هواپیماهای بدون سرنشین نیز شناخته می شوند، به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند و در دهه اخیر توجه قابل توجهی را به خود جلب کرده اند. اکثر مطالعات مولتی روتورها را به دلیل سادگی در مکانیسم های کنترلی و دقت بالا در موقعیت یابی گزارش می کنند. انواع دیگری از پهپادها نیز گزارش شده است، اما تعداد آنها نسبتاً کم است. محدودیت های متعددی برای اجرای عملی پهپادها در سناریوهای کاربردی مختلف وجود دارد. محدودیت اصلی در میان پهپادها استقامت پرواز است که به دلیل منبع تغذیه محدود باتری ها محدود است. این موضوع را می توان از طریق طراحی انواع باتری ها با استفاده از سیستم های هیبریدی یا موتورهای احتراق داخلی کاهش داد. راه حل امیدوارکننده دیگر، یک ایستگاه اتصال است که می تواند باتری ها را شارژ یا تعویض کند، ذخیره کند و حتی وظایف ارتباطی با پهپادها را انجام دهد  . ایستگاه‌های داک می‌توانند مشکل استقامت باتری را حل کنند و پهپادها را یک قدم جلوتر در سیستم‌های خودران قرار دهند.

در حال حاضر، پهپادها در چندین کاربرد نظامی، صنعتی و تجاری استفاده می شوند ، همانطور که در شکل  1 نشان داده شده است . در ارتش، پهپادها ناوبری، ارتباطات ایمن و شناسایی را ارائه می دهند. علاوه بر این، آنها در محاسبات لبه تلفن همراه، ارتباطات سلولی، تحویل بسته، مراقبت های بهداشتی هوشمند، سیستم های حمل و نقل هوشمند، ماموریت های نظارت تصویری، کشاورزی دقیق، بازرسی خطوط برق، سنجش از دور، جستجو و نجات، و انجام عملیات امداد در محیط های فاجعه بار استفاده می شوند. پهپادها قابلیت دسترسی به مناطق دورافتاده یا خطرناک، تسهیل نظارت بر محیط و گرفتن تصاویر با وضوح بالا را دارند . این اشیاء پرنده در نظارت مفید هستند زیرا محدودیت ها را در محیط های با دسترسی محدود، پویا، خشن و پیچیده پر می کنند. علاوه بر این، آنها کار و زمان مورد نیاز برای بررسی، بازرسی و نمونه برداری روی زمین را کاهش می دهند، جلوگیری از برخورد و همگرایی سریع برای رسیدن به اهداف را فراهم می کنند و زمان بیشتری را برای عملیات مدیریتی مورد نظر ارائه می دهند. با این حال، محدودیت های حیاتی متعددی در طراحی، استقرار و عملکرد پهپادها وجود دارد. برخی از آنها زمان پرواز محدود، استقلال محدود، تحرک کمتر و استقامت باتری محدود دارند. شرایط آب و هوایی سخت و محیط ها نیز محدودیت هایی را برای عملکرد پهپاد ایجاد می کند. زمان محدود ماموریت به دلیل استقامت کم باتری، شرایط سخت جوی و چالش‌های دقت سنسور است. چندین راه حل امیدوارکننده در ادبیات برای کاهش این چالش ها ارائه شده است، از جمله دستگاه های با کیفیت بالا مانند مواد و موتورهای ساخت، هندسه پهپاد، بال ها و باتری ها. برخی از مطالعات همچنین به استراتژی‌های بهینه‌سازی برای جستجوی کوتاه‌ترین مسیر برای پرواز پهپاد برای رسیدن به مقصد مورد نظر می‌پردازند .

کاربردهای تجاری، صنعتی و نظامی پهپادها

تصویر در اندازه کامل

1.1 دامنه و مشارکت

این بررسی به فناوری پهپاد اختصاص داده شده است و به خوانندگان کمک می کند تا فعالیت های تحقیق و توسعه مداوم را درک کنند. هدف ما حمایت از خوانندگان در دریافت یک دید کلی از انواع پهپاد، ازدحام، پیکربندی، استانداردسازی و تکنیک های شارژ و غیره است. ما بررسی جامعی از چالش ها و مسائل امنیتی پهپاد ارائه می دهیم. ما همچنین توصیه ها و راه حل های واقع بینانه ای را برای غلبه بر این چالش ها ارائه می دهیم. ما تجزیه و تحلیل گسترده خود را برای توانمندسازی استفاده از پهپادها در چندین سناریو کاربردی انجام می دهیم. در پایان، ما جهت‌های تحقیقاتی آینده را مورد بحث قرار می‌دهیم تا کار تحقیقاتی اختصاص داده شده به این فناوری امیدوارکننده را بیشتر کنیم.

1.2 سازماندهی مقاله

ساختار این مطالعه را به صورت زیر انجام داده ایم: بخش.  2 مشارکت های تحقیقاتی در مورد پهپادها، انواع، طبقه بندی ها، بار محموله، زمان پرواز، ازدحام و استانداردسازی را بررسی می کند. بخش  3 تکنیک های شارژ باتری پهپاد را ارائه می دهد. بخش  4 به اختصار حوزه های کاربرد پهپاد را مورد بحث قرار می دهد. ما چالش های باز را در بخش بررسی می کنیم.   ، در حالی که مسائل امنیتی و راه حل های کاهش دهنده در بخش پرداخته شده است . ما همچنین جهت تحقیقات آینده را در بخش ارائه می کنیم.   در نهایت، این مقاله در بخش نتیجه گیری شده است . سازماندهی این بررسی را می توان در شکل  2 مشاهده کرد .

سازماندهی این مقاله

تصویر در اندازه کامل

پهپادها به وسایل نقلیه هوایی کنترل شده اطلاق می شوند که چندین ماموریت را بدون کمک انسانی انجام می دهند. آنها را می توان از راه دور از طریق ابزارهای الکترونیکی مختلف مانند ریزپردازنده ها و حسگرها اداره کرد. پهپادها می توانند به طور مستقل عملیات را در چنین مناطقی که مداخله انسانی خطرناک است انجام دهند . شکل  3 یک معماری کلی از پهپادها را نشان می دهد که در آن از پیوندهای ارتباطی برای برقراری ارتباط با ماهواره یا سیستم کنترل زمینی (GCS) مانند لپ تاپ یا تلفن هوشمند استفاده می کنند. یک اپراتور انسانی برای کار و کنترل پهپاد از راه دور مورد نیاز است. در ادبیات، آثار متعددی برای پرداختن به ویژگی های مختلف پهپادها ارائه شده است. به عنوان مثال، ژانگ و همکاران. روی ویژگی های شارژ موبایل برای پهپادها تمرکز کرده اند تا عمر باتری آنها را افزایش دهند. آلدههر و همکاران  استفاده از گیرنده بی سیم به منظور کاهش وزن پهپادها. چندین تکنیک شارژ بی سیم در برای افزایش زمان پرواز پهپاد پیشنهاد شده است . راسیتی و همکاران  یک سیستم شارژ را گزارش کرد که توسط یک سیستم انتقال برق بی‌سیم (WPT) قدرت می‌گیرد. این مطالعه همچنین تلفات ناهماهنگی و راه حل های کاهش مرتبط را برجسته می کند. روهان و همکاران ، یک سیستم شارژ هوشمند پهپاد را پیشنهاد کرد که توسط WPT توانمند شده بود. شین و همکاران  به برنامه ریزی شارژ برای شبکه های چند پهپادی بر اساس الگوریتم های یادگیری عمیق پرداخت. در جدول 1 ، بررسی ها و بررسی های مختلف گزارش در مورد جنبه های مختلف پهپادها را خلاصه کرده ایم.

معماری سیستم پهپاد

تصویر در اندازه کامل

2.1 طبقه بندی پهپادها

پهپادها دارای مشخصات، تجهیزات، اندازه ها، محدوده ها و اشکال مختلفی هستند. انواع مختلفی از پهپادها را می توان در ادبیات یافت: بال ثابت، تک روتور، هیبریدی با بال ثابت و چند روتور . پهپادهای بال ثابت شامل بدنه اصلی، بال، ملخ و موتور هستند. این پهپادها برای کنترل نیاز به آموزش ویژه دارند و برای نظارت هوایی بی استفاده می مانند. یک پهپاد بال ثابت در شکل  4 a نشان داده شده است. این هواپیماهای بدون سرنشین اغلب برای نقشه برداری هوایی و بازرسی خطوط برق مورد استفاده قرار می گیرند. این گونه پهپادها قادر به معلق شدن یا پرواز رو به جلو نیستند. شکل  4 ب یک پهپاد هیبریدی بال ثابت را نشان می دهد . شکل 4c یک پهپاد تک روتور  را نشان می دهد. با این حال، پهپادهای تک روتور برای تولید پرهزینه هستند و نیاز به آموزش مهارتی دارند. این هواپیماهای بدون سرنشین از نظر مکانیکی دشوار و مستعد موانعی مانند ارتعاش هستند. علاوه بر این، پهپادهای چند روتوری مقرون به صرفه ترین و ساده ترین برای ساخت هستند. این هواپیماهای بدون سرنشین اغلب برای نظارت تصویری و تصویری استفاده می شوند. همانطور که در شکل 4 d مشاهده می شود، کوادکوپترها اغلب پهپادهای مورد استفاده هستند  . کوادکوپترها به دلیل فرود عمودی یا مانورپذیری سریع، هزینه کم و اندازه جمع و جور محبوبیت پیدا کرده اند. ما انواع اصلی پهپاد را در جدول 2 نشان داده ایم . در حالی که جدول 3 مقایسه ای از پهپادهای مختلف را با در نظر گرفتن ویژگی های مختلف ارائه می دهد.

پهپاد بال ثابت، b هیبریدی بال ثابت، c تک روتور و d چند روتور

تصویر در اندازه کامل

2.2 ازدحام پهپاد

شکل  5 طبقه بندی ازدحام پهپادها را به عنوان نیمه و کاملاً خودمختار نشان می دهد. این دسته بندی نیز به دسته های تک لایه و چند لایه تقسیم می شود. هر پهپاد در ازدحام قابلیت ضبط و پردازش داده ها را در زمان واقعی ارائه می دهد. در حالی که پردازش هسته در ایستگاه پایه (BS) یا در ابرها انجام می شود. گروه‌های پهپاد با مکانیسم‌های نظارتی پیچیده می‌توانند با استقرار چندین پهپاد موازی، یک منطقه را به‌طور مطمئن و سریع پوشش دهند. مطالعات متعددی در مورد مفید بودن ازدحام پهپادها گزارش شده است. مانند  گروهی از پهپادها را تجزیه و تحلیل می کند تا فرآیند شارژ بسیاری از پهپادها را همزمان حل کند. از گروه‌های پهپاد برای مدیریت هوشمند انرژی استفاده می‌کند. هنگام در نظر گرفتن انجام ماموریت ازدحام پهپادها مانند کوادکوپترها، هماهنگی پرواز پهپاد و استقامت شناور شدن حیاتی می شود. علاوه بر این، راندمان ارتباطی ازدحام کوادکوپتر برای یک عملیات موفقیت آمیز حیاتی است. نویسندگان یک استراتژی هماهنگی چند روباتی را در  برای رسیدگی به چالش‌های همگام‌سازی بلادرنگ انبوه پهپادها در یک شبکه گسترده ابداع کردند. تحقیقات دیگر به انبوهی از پهپادها در زمینه نظارت پرداخته است. ، برای مثال، ازدحام کوادکوپترها را برای مکان یابی شی و عملیات ردیابی توصیف می کند. به طور مشابه، لئونارد و همکاران.  الگوریتم های ردیابی و تشخیص را برای یک برنامه نظارتی مبتنی بر ازدحام کوادکوپتر پیشنهاد کرد.

طبقه بندی ازدحام

تصویر در اندازه کامل

2.3 تحولات در جهت یابی پهپادها

ناوبری تأثیر زیادی بر کنترل پرواز پهپاد دارد. چندین فناوری ناوبری مانند Droppler، یکپارچه، هندسی، ماهواره ای و ناوبری اینرسی، عملکردهای متعددی را انجام می دهند. سیستم‌های ناوبری کلیدی برای پهپادها، سیستم‌های ناوبری با استقامت طولانی و سیستم‌های ناوبری تاکتیکی یا میان برد هستند. ما می توانیم پیشرفت در ناوبری را به صورت زیر ارزیابی کنیم:

• ناوبری با کارایی بالا با ترکیب داده ها: نقش کلیدی در تعیین وضعیت پرواز برای تضمین پرواز معمولی پهپاد ایفا می کند.
• سیستم ناوبری اینرسی جدید: حجم و وزن را ساده می کند و انرژی کمتری برای بهبود انعطاف پذیری پرواز مصرف می کند.
• توانایی سیستم ناوبری هوشمند: فناوری اطلاعات برای ارتقای فناوری پهپاد به همراه به روز رسانی سیستم ناوبری استفاده می شود.

2.4 طراحی کنترل سازند

معماری ارتباطی کارکنان کنترل حرکت برای جریان اطلاعات مورد نیاز است. استراتژی های کنترل سازند به شرح زیر است:

• استراتژی رهبر-پیرو: مزایای اصلی این فناوری این است که می توان آن را به راحتی و به سادگی انجام داد. به دلیل وابستگی به رهبر، با شکست های تک نقطه ای مواجه می شود. محدودیت های این استراتژی را می توان با تخصیص مدیران مجازی و چند رهبر برطرف کرد.
• استراتژی مبتنی بر رفتار: مزیت کلیدی این استراتژی این است که تا حد زیادی حتی با برخی از محیط های ناشناخته سازگار است. با این حال، نیاز به مدل سازی ریاضی دارد که مشکلاتی را در تجزیه و تحلیل پایداری سیستم ایجاد می کند.
• استراتژی ساختار مجازی: این استراتژی ساختارهای صلب را برای هندسه یا شکل مورد نظر مجموعه پهپادها در نظر می گیرد. این روش نمی تواند اطلاعات معیوب یک پهپاد را شناسایی کند. این روش همچنین مستلزم یک قابلیت قوی برای محاسبات است.

2.5 ویژگی های پهپاد

2.5.1 سرعت و زمان پرواز

پهپادهای کوچک عمدتاً با سرعت 15 متر بر ثانیه یا کمتر پرواز می کنند. از سوی دیگر، پهپادهای سایز بزرگ می توانند با سرعت بالاتر تا 100 متر بر ثانیه حرکت کنند. هر زمان که هر پهپاد مسیری را دنبال می‌کند تا انرژی یا بازده طیفی خود را بهبود بخشد، سرعت آن باید در نقاط عطف و مکان‌های متعدد در طول این مسیر در نظر گرفته شود. در ، نویسندگان به این مبادله بین سرعت پهپاد و چابکی چرخش پرداخته‌اند.

به طور مشابه، زمان پرواز حداکثر زمانی را نشان می دهد که پهپاد می تواند تا زمانی که باتری ها تخلیه شود، پرواز کند. در کنار هزینه از اهمیت بالایی برخوردار است. وزن، اندازه و شرایط جوی پهپاد مانند باران یا باد تأثیر زیادی بر استقامت باتری پهپادها دارد که ارتباط نزدیکی با زمان پرواز دارد. GPS و سیستم های خلبان خودکار نیز نقش مهمی در زمان پرواز دارند. پهپادهای سایز کوچک می توانند تا 20 تا 30 دقیقه پرواز کنند، در حالی که پهپادهای سایز بزرگ می توانند تا چند ساعت پرواز کنند.

2.5.2 بار

قابلیت بلند کردن پهپاد برای حمل هر وزنی به عنوان محموله نامیده می شود. ظرفیت بالابری از چند گرم تا چند صد کیلو متغیر است. محموله های بزرگتر امکان حمل لوازم جانبی بیشتری را به هزینه زمان پرواز کوتاه تر، ظرفیت توان بیشتر و ابعاد وسیع تر می دهد. حسگرها و دوربین های فیلمبرداری محموله های معمولی برای اهداف شناسایی، نظارت و تجاری هستند. تجهیزات کاربر سلولی (UEs)، مانند تبلت ها، تلفن های همراه و تبلت هایی با وزن کمتر از یک کیلوگرم نیز ممکن است توسط پهپاد حمل شوند . گمان می رود پهپادهای با بار بالا مدت زمان پرواز کوتاه تری دارند. با این حال، اگر یک پهپاد دارای مساحت سطح بزرگتر همراه با اشغال موتورهای بیشتر باشد. این توانایی ذخیره انرژی بیشتر را دارد که باعث افزایش زمان پرواز می شود. در نتیجه، کیفیت محموله ممکن است به آن اجازه دهد با حفظ دقت و وضوح یکسان، سریعتر حرکت کند. در جدول 4 ، قابلیت بارگیری پهپادهای مختلف را نشان داده ایم.

2.5.3 تجهیزات سنجش

تشخیص تشعشع قبلاً در رادارهای نفوذی زمین و دوربین های فراطیفی در رادار دیافراگم مصنوعی مورد بحث قرار گرفته است. نویسنده سنسورهای نور بسیار حساس را در زمینه کشاورزی دقیق شناسایی می کند:

• تحریک فلورسانس
• تصویربرداری طیف مادون قرمز، و
• تصویربرداری با طیف مرئی

آرایه‌های حسگر خاص بسیار دقیق هستند، اما تجهیزات تخصصی با تطبیق پذیری محدود بسیار گران هستند. جدول 5 مروری بر برخی دستگاه های سنجش در پهپادها ارائه می دهد. در حالی که جدول 6 مقایسه سنسورهای مختلف تصویربرداری و محدوده را با در نظر گرفتن پارامترهای مختلف ارائه می دهد.

2.5.4 نرم افزار

پهپادها به طور قابل توجهی قادر به ایفای نقش در وظایف پردازش داده و حل مشکل هستند. چندین الگوریتم برای بهینه سازی، خودمختاری و برنامه ریزی مسیر استفاده می شود. این ابزارها می توانند کمک های انسانی و زیرساخت های مورد نیاز برای کارهای مختلف مانند ارتباطات را به حداقل برسانند. پیدا کردن نرم‌افزار آماده‌سازی مناسب، که به زمان و منابع نیاز دارد، چالش برانگیز است. با این حال، محققان در راه توسعه روش‌ها و الگوریتم‌های جدید برای رسیدگی به انواع این مشکلات هستند. برای کاهش اعوجاج تصویر می توان از یک الگوریتم تصحیح هندسی استفاده کرد. الگوریتم های پردازش تصویر برای سنجش از راه دور یا پردازش تصاویر گرفته شده از دوربین های پهپاد استفاده می شود. به طور مشابه، یک ابزار برنامه‌ریزی مسیر آفلاین را می‌توان برای روش‌های نظارت مداوم با کمک پهپاد و یک رویکرد تکاملی چند ویژگی خودسازگار که برنامه‌ریزی مسیر را برای پهپادها ارائه می‌دهد، استفاده کرد.

نرم افزار نصب شده در پهپادها به عنوان یک عامل ضروری در ارزش آفرینی تایید شده است. این مفهوم به موازات گسترش صنایع و شرکت های اختصاص داده شده به توسعه نرم افزار است. از جمله این شرکت ها می توان به Skyworks Aerial System (ایالات متحده آمریکا)، SkyWards (ایالات متحده آمریکا)، RedBird (فرانسه)، PIX4D (سوئیس)، MapBox (ایالات متحده آمریکا)، DroneDeploy (ایالات متحده آمریکا)، Dedrone (آلمان) و Airware (ایالات متحده آمریکا) اشاره کرد. بیشتر این کشورها از کشورهای اروپایی و ایالات متحده آمریکا هستند که صنعت نوظهور این فناوری تحول آفرین را تشریح می کنند. برخی از این شرکت ها بر پردازش و تجزیه و تحلیل از طریق تصاویر گرفته شده از طریق پهپادها، استفاده از نتایج آنها در صنایع مختلف مانند ساخت و ساز، نقشه برداری، کشاورزی و معدن و غیره تمرکز می کنند، در حالی که برخی دیگر به عنوان شبیه ساز پرواز (Redbird) و توسعه دهندگان شناسایی پهپاد (ددرون) فعالیت می کنند. .

2.5.5 برد و ارتفاع

برد پهپاد مربوط به منطقه ای است که از راه دور می توان از آن استفاده کرد. پهپادهای کوچک برد چند متری دارند، در حالی که پهپادهای بزرگتر برد صدها کیلومتر دارند. در مقابل، ارتفاع به حداکثر ارتفاعی که پهپاد ممکن است در آن پرواز کند، اشاره می کند. سکوهای هوایی معمولاً بر اساس ارتفاع به دو گروه تقسیم می شوند.

پلتفرم های ارتفاع پایین (LAP): از LAP ها معمولاً برای تسهیل اتصال سلولی استفاده می شود زیرا مستقر می شوند و ارزان هستند. LAP ها همچنین یک مسیر دید را ارائه می دهند که می تواند عملکرد ارتباط را تا حد زیادی افزایش دهد .

سکوهای ارتفاع بالا (HAPs): سکوهای ارتفاع بالا (HAPs)، از جمله بالون ها نیز برای ارتباطات سلولی استفاده می شوند. در مقایسه با LAP ها، HAP ها پوشش بیشتری را ارائه می دهند. پیاده سازی HAP ها پیچیده است و بیشتر برای تسهیل اتصال به اینترنت استفاده می شود. جدول 7 انواع پهپادها را بر اساس ارتفاع آنها نشان می دهد. جدول 8 مقایسه ای از چند نوع پهپاد را ارائه می دهد. شکل  6 الف تا د، چندین برنامه پهپاد را در کشورهای مختلف نشان می دهد.

نمونه های مختلف پهپاد در ارتفاع a LADP، b LALE، c MALE و d HALE 

تصویر در اندازه کامل

2.5.6 کنترل کننده های پهپاد

کنترلرها مسئول اجرای وظایف خاص برای پهپادها هستند. آنها به عنوان مجموعه ای از اقدامات تعریف می شوند که می توانند پهپادها و دنیای فیزیکی را تحت تأثیر قرار دهند. کنترلرها بر اساس نوع پهپاد متفاوت هستند مانند بال فلاپی، تک روتور، مولتی روتور و بال ثابت. این پهپادها برای عملیات خاصی طراحی شده اند و با آیرودینامیک متفاوتی روبرو هستند. کنترل پهپاد طیف گسترده ای از فناوری ها و درمان ها را در بر می گیرد. برای برخی از عملیات های خاص، کنترل ممکن است شامل اجرای کلان (مانند کنترل سازند و برنامه ریزی مسیر) و تصمیمات کنترل پرواز خرد عملگرها طبق دستورات ارائه شده باشد. با توجه به رفتار دینامیکی پیکربندی های پهپاد، طراحی و توسعه کنترل پهپاد باید از مکانیزم مناسبی پیروی کند. در نتیجه اختلالات خارجی، عملکرد سیستم کنترل پرواز برای پیروی از پاسخ پایدار بسیار مهم است. هدف کلیدی کنترلر کاهش خطا بین حالت های تخمینی و مورد نظر است که می تواند ارتفاع، سرعت یا موقعیت پهپاد در شرایط جوی مختلف باشد. در ادامه به تفصیل در مورد کنترلر پرواز پهپادها صحبت کردیم.

2.5.7 کنترلرهای پرواز

کنترلرهای پرواز که معمولاً به عنوان سیستم خلبان خودکار شناخته می شوند، عناصر اصلی پهپادها هستند. آنها به طور کلی برای اطمینان از کنترل پرواز مستقل، مانند برنامه ریزی ماموریت، تولید ایستگاه پرواز و تثبیت وضعیت طراحی شده اند. برای انجام کارآمد این عملیات، کنترل‌کننده‌های پرواز به کمک نرم‌افزار یا سخت‌افزار به طور همزمان نیاز دارند. دومی عمدتاً شامل ماژول‌های کنترل قدرت، موجودیت‌های ارتباطی، ماژول‌های GPS، حسگرهای پردازنده، واحدهای اندازه‌گیری اینرسی و رایانه‌های داخلی است و اولی عمدتاً شامل الگوریتم‌های پردازش سیگنال، کنترل نگرش، برنامه‌ریزی مسیر و تخصیص کار است.

کنترلر پرواز بر اساس سه جزء اصلی است. اولین مورد “قانون کنترل هسته” نام دارد که مسئول پایداری مجانبی تحرک پهپاد در هوا است. مؤلفه دوم مولد فرمان نامیده می شود که برای تولید مراجع برای کنترل هسته استفاده می شود. قسمت آخر برنامه زمانبندی پرواز است که وظیفه ایجاد گروهی از مقدمات پرواز برای تحقق ماموریت مورد نظر را بر عهده دارد. کنترل پرواز یک پهپاد را می توان با کنترل ارتفاع به منظور حفظ پهپاد در ارتفاع مورد نظر و کنترل جهت و سرعت برای دنبال کردن مسیرهای خاص به دست آورد. برای پهپادها از کنترلرهای خطی و غیرخطی مختلفی استفاده می شود. کنترل‌کننده‌های خطی شامل H¥، LRQ، PD و PID هستند و کنترل‌کننده‌های غیرخطی شامل NDI، زمان‌بندی افزایش، کنترل منطق فازی، اشباع تودرتو، حالت لغزشی و پشت سر هم هستند. کنترلرهای خطی به شرح زیر است:

• تکنیک شکل‌دهی حلقه H¥، که کنترل تشکیل حلقه معمولی را با کنترل قوی ادغام می‌کند، استحکام بالایی را نسبت به سایر تکنیک‌ها ارائه می‌کند. با این حال، برای کنترل پهپاد در مقیاس بزرگ امکان پذیر نیست.
• یک کنترل کننده تنظیم کننده درجه دوم خطی (LQR) یک کنترل کننده بهینه است که در سیستم های دینامیکی با هزینه های درجه دوم عمل می کند. در مورد عدم قطعیت تکنیک با حاشیه پایداری قابل دوام نسبت به خطا، قوی در نظر گرفته می شود. با این حال، همیشه امکان پذیر نیست زیرا به وضعیت کامل سیستم نیاز دارد.
• یک کنترلر متناسب-انتگرال-مشتق (PID) رایج ترین کنترل کننده مورد استفاده در پهپادها است. آنها به دلیل سهولت استفاده بسیار محبوب هستند. با این حال، آنها همچنین محدودیت هایی را در بهینه بودن و استحکام اعمال می کنند.

کنترل‌کننده‌های غیرخطی برای مقابله با اجزای جفت و غیرخطی بودن متغیرهای حالت پهپاد مورد نیاز هستند. کنترل کننده های غیر خطی به شرح زیر هستند:

• الگوریتم های کنترل قوی برای درک رفتار موثر کنترل کننده در یک نسبت اختلال قابل قبول استفاده می شود. می تواند تغییرات عملکرد را با توجه به پارامترهای متغیر سیستم اندازه گیری کند. این رویکرد امکان پذیر است زیرا فقط به اطلاعات مربوط به حد عدم قطعیت نیاز دارد.
• Backstepping Controller یک فرآیند طراحی بازگشتی است که وظیفه کنترلر را به مراحل مختلف تقسیم می کند تا از پایداری تدریجی در هر زیر سیستم اطمینان حاصل شود. می تواند با عدم قطعیت خارجی مقابله کند و از منابع محاسباتی کمتری استفاده کند.
• کنترلر حالت لغزشی (SMC) از اصول پایداری لیاپانوف پیروی می کند تا مسیر وضعیت سیستم را از طریق یک سیگنال کنترل ناپیوسته وادار کند. ذاتاً در برابر هرگونه تغییر در عدم قطعیت پارامتری، اختلالات خارجی و خطاهای مدل‌سازی مقاوم است. تجزیه و تحلیل سیستم های دینامیکی مرتبه دوم بسیار امکان پذیر است. جدول 9 مقایسه ای از کنترلرهای پرواز مختلف را ارائه می دهد.

2.6 استانداردسازی پهپاد sp

2.6.1 پهپادها استاندارد 3GPP

در این دوره تکنولوژیکی، پهپادها در محیط‌های دید (LoS) و غیرخط دید (NLoS) توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند . گروه مشارکت نسل سوم (3GPP) تحقیقات متعددی را در سال 2017 به پایان رساند و Release-15 را برای شناسایی پهپادهای با قدرت تکامل بلندمدت (LTE) تولید کرد. هدف اصلی این تحقیق تمرکز بر تقاضاهای ترافیک پهپاد، روش‌های مدل‌سازی کانال برای دیدگاه‌های انتشار هوا به زمین، استفاده مجدد از شبکه‌های سلولی موجود برای تسهیل پشتیبانی LTE، ارتباطات پهپاد، و نوآوری‌های لازم برای ترکیب LTE در پهپادها بود. اهداف 3GPP همچنین شامل تعیین دسته های ترافیکی نیاز به شبکه های سلولی فعلی برای جا دادن پهپادهایی است که بیش از 300 متر از سطح زمین پرواز می کنند. جدول 10 نیازهای ارتباطی پهپاد زیر را نشان می دهد: هماهنگ سازی و کنترل رادیویی. (2) فرماندهی و کنترل؛ و (iii) داده های کاربردی .

2.6.2 استانداردسازی پهپادها خارج از 3GPP

به غیر از استانداردسازی 3GPP، چندین نهاد نظارتی اضافی الزامات متمایز پهپاد را برای اطمینان از ارتباطات مؤثر، سازگار و استاندارد مشخص کرده‌اند.

• موسسه مهندسین برق و الکترونیک (IEEE) کارگروه هواپیماهای بدون سرنشین (DWG) را در سال 2015 تأسیس کرد. هدف اولیه این گروه ایجاد طبقه بندی برای پهپادهای مصرفی به منظور تأکید بر حفظ حریم خصوصی و مسائل امنیتی بود. برای انجام این کار، DWG تکنیک‌ها، سیستم‌ها، مشخصات، آزمایش‌ها و ارزیابی‌هایی را برای پهپادهای مصرف‌کننده ایجاد می‌کند تا از حریم خصوصی و امنیت عمومی و خواص آنها محافظت کند. به طور مشابه، برنامه ارزیابی انطباق IEEE (ICAP) و OM/AerCom SC به طور مشترک در حال طراحی یک برنامه ارزیابی انطباق هستند به طوری که رویکردهای پهپاد می توانند مطابقت با استانداردهای IEEE را نشان دهند. برنامه گواهی برنامه پهپاد IEEE نیز معرفی شده است که متشکل از سهامداران صنعت است که از تنظیم کننده ها، یکپارچه سازان سیستم، ارائه دهندگان راه حل، تولید کنندگان، کاربران و سایر ذینفعان بالقوه پشتیبانی می کند. همچنین شامل جامعه آکادمیک و آزمایشات آزمایشی می شود تا به خریداران نشان دهد که سیستم ها یا محصولات پهپاد مطابق با استانداردهای IEEE هستند.
• مؤسسه استانداردهای مخابرات اروپا (ETSI) عملیات پهپاد، موارد استفاده، و دانش چارچوب مجموعه پروتکل اینترنت (IP) ساخته شده و همچنین قوانین طیف مورد نیاز برای قرار دادن پهپادها در شبکه های LTE فعلی را بررسی می کند . ETSI همچنین استانداردهای اروپایی را تحت درخواست مقررات EC توسعه داده است تا از استفاده گسترده از خدماتی مانند خدمات پیوند داده (DLS)، هدایت و کنترل حرکت سطحی پیشرفته به همراه رویه تصمیم گیری مشارکتی فرودگاه اطمینان حاصل کند. علاوه بر این، دستورالعمل تجهیزات رادیویی برای استفاده از پهپادهایی که مطابق با مدیریت طیف عمل می کنند، توسعه یافته است. ETSI همچنین می تواند برای نشان دادن انطباق با جنبه های خاصی از دستورالعمل مورد استفاده قرار گیرد.
• اتحادیه بین‌المللی مخابرات (ITU-T) مورد کاری (WI) Y.UAV.arch را ساخته است تا وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV) و کنترل‌کننده‌های وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAVs) بتوانند معماری پایدار و کاربردی بر روی شبکه‌های IMT-2020 داشته باشند . IMT-2020 برای ارتباطات پهپاد استفاده می شود. از آنجایی که پهپادها به برنامه های همزمان با جنبه های مختلف نیاز دارند، بنابراین نوع جدیدی از پایانه کاربری برای IMT-2020 مورد نیاز است. به همین ترتیب، شبکه ارتباطی جدید IMT-2020 برای پوشش زمینی پهپادها طراحی شده است. برای بهبود کیفیت عملیات پهپادها و پیاده‌سازی ویژگی عملیات پهپاد غیرنظامی در IMT-2020، به گروهی از قابلیت‌ها برای پر کردن شکاف قابلیت همکاری بین شبکه‌های IMT-202 و پهپادها نیاز است. این توصیه از یک معماری عملیاتی برای اپراتورهای پهپاد از طریق شبکه های IMT-2020 و عملکردهای تعریف شده در لایه فیزیکی، لایه برنامه و لایه پشتیبانی برنامه پشتیبانی می کند.
• سازمان هوانوردی فدرال (FAA) مسئول عملیات هواپیماهای غیرنظامی در حریم هوایی ملی (NAS) در ایالات متحده است. هدف آن ارائه چارچوب عملیاتی و نظارتی برای مدیریت ترافیک بدون سرنشین (UTM) است. برای تبادل داده یا اطلاعات با UTM تعامل دارد. در مارس 2020، FAA یک مفهوم UTM به روز شده را به منظور تعریف الزامات فنی و عملیاتی برای اکوسیستم UTM برای اطمینان از عملکرد سیستم های فضایی بدون سرنشین در تمام حریم هوایی موجود منتشر کرد. FAA همچنین محدودیت وزن کمتر از 55 پوند را برای گنجاندن به عنوان UAS کوچک تعیین کرده است. به طور کلی، FAA فضای هوایی موجود را به شش کلاس A تا G تقسیم می کند. G به کنترل نشده اشاره دارد در حالی که کلاس AG برای فضای کنترل شده است. این بدان معناست که کلاس G توسط کنترل ترافیک هوایی نظارت نمی شود و توسط نهادهای ATC نظارت می شود. طبق قوانین FAA، عملیات UTM را می توان تا ارتفاع 400 فوتی از سطح زمین انجام داد. در صورت عدم کنترل حریم هوایی، خلبانان از راه دور از دریافت تاییدیه از مراجع مجاز مرکز آموزشی (ATC) معاف هستند. با این حال، هنگام ورود به حریم هوایی کنترل شده، آنها باید ATC را در مورد قصد خود مطلع کنند. علاوه بر این، اپراتور پهپاد باید تضمین کند که عملیات UTM پیش‌بینی‌شده با قوانین خاصی مطابقت دارد، به عنوان مثال، ثبت الکترونیکی اپراتور و پهپاد و باید الزامات ایمنی از جمله توانایی‌های ارتباطی و قابلیت پرواز هواپیماهای بدون سرنشین را برآورده کند .
• آژانس ایمنی هوانوردی اروپا (EASA) نیز مقرراتی را برای استفاده از پهپادها اجرا کرده است. مفاهیم EASA بر اساس یک چارچوب قانونی است که استراتژی عملیات محور و متناسب را در نظر می گیرد که به جای تمرکز بر پارامترهای پهپاد، به شرایط و نحوه عملیات می پردازد. این اقدامات توسط نقشه راه اروپا برای ادغام هواپیماهای غیرنظامی خلبان از راه دور در سیستم هوانوردی اروپا هدایت و همراه است. این سند چندین سطح از یکپارچگی و هماهنگی را مشخص کرد. همچنین شامل سه ضمیمه با یک استراتژی روشن برای اجرا و بهبود مقررات، ابتکارات تحقیقاتی قابل پیش بینی و اثرات اجتماعی بر خدمات پهپاد است. تفاوت عمده بین مفاهیم پیشنهادی، استفاده از سه دسته هواپیماهای بدون سرنشین EASA مانند OPEN، SPECIFIC و Certified است . بنابراین، عملیات پهپاد انجام شده تحت هر دو SPECIFIC و CERTIFIED باید توسط مجوز ملی هوانوردی (NAA) مجاز باشد. این مجوز به عملیات پهپاد با سطوح خطر بالا مانند پرواز بر فراز مناطق پرجمعیت اجازه می دهد. در نتیجه، قابلیت های خاص سیستم و الزامات عملیاتی باید توسط اپراتور برای انجام این عملیات برآورده شود.

2.7 ایستگاه اتصال پهپاد: توضیحات اولیه

ایستگاه های اتصال چند منظوره برای تسهیل فرود، شارژ مجدد، یا برخاستن، محموله و انتقال داده ایمن هستند. برخی از سیستم‌های داک می‌توانند پهپادها را با خیال راحت ذخیره کنند و از آن‌ها در برابر شرایط سخت محیطی محافظت کنند. ایستگاه های داک را می توان با توجه به دسته بندی کرد:

• تحرک
• روش شارژ
• تعویض خودکار باتری
• موقعیت یابی
• ذخیره سازی پهپاد
• تحویل بسته
• نوع فرود
• نوع سکوی فرود

ایستگاه داک شامل چندین زیرسیستم، به عنوان مثال، منبع تغذیه، سکوی فرود، تنظیم شارژ باتری، سیستم ذخیره پهپاد و بسیاری موارد دیگر است. ایستگاه های داک باید معیارهای خاصی را برای دستیابی به اهداف خود رعایت کنند. طبقه بندی ایستگاه های اتصال پهپاد در شکل  7 نشان داده شده است . ما برخی از ایستگاه های اتصال تجاری موجود را در جدول 11 خلاصه کرده ایم . در بخش بعدی به طور جامع در مورد تکنیک های شارژ پهپاد بحث خواهیم کرد.

طبقه بندی ایستگاه های اتصال پهپاد [ 1 ]

تصویر در اندازه کامل

یکی از مسائل مهم در عملکرد پهپاد ظرفیت محدود باتری است. افزایش وزن یا اندازه باتری پیشنهاد نمی شود زیرا در نهایت باعث افزایش بار بار می شود که یکی دیگر از مسائل مهم است. شارژ را می توان از طریق سیستم انتقال توان سیمی یا بی سیم (WPT)  همانطور که در زیر مورد بحث قرار می گیرد به دست آورد:

3.1 انتقال برق بی سیم (WPT)

طبق یک تحلیل ، درآمد تخمینی WPT تا سال 2020 حدود 2000 میلیون دلار است. شکل  8 بازار رشد تخمینی WPT و هواپیماهای بدون سرنشین را تا سال 2025 نشان می‌دهد. پیش‌بینی می‌شود که کل فروش با نرخ رشد سالانه مرکب (CARG) 13.8 درصد تا سال 2025 به 43 میلیارد دلار خواهد رسید . این رشد گسترده به دلیل کاربردهای متعدد در صنعت الکترونیک با مزایای متعدد از نظر استقلال، قابلیت اطمینان، راحتی، امنیت و ایمنی است. تمام این مزایا را می توان با استفاده از تکنیک های مختلف WPT به دست آورد. یکی از مزایای کلیدی استفاده از تکنیک‌های WPT، عملکرد در محیط‌هایی است که انتقال توان متوسط ​​سیمی غیرممکن یا خطرناک است. تکنیک های WPT به عنوان تکنیک های الکترومغناطیسی تابشی (EM) و غیر EM سازماندهی می شوند. در غیر EM، قدرت از طریق منابع نوری یا صوتی منتقل می شود. در تکنیک های EM; کوپلینگ رزونانس، کوپلینگ مغناطیسی، کوپلینگ القایی و کوپلینگ خازنی استفاده می شود. در حال حاضر، این فناوری‌های WPT به صورت تجاری برای چندین کاربرد مانند دستگاه‌های پزشکی قابل کاشت، تلفن‌های هوشمند و پهپادها و غیره استفاده می‌شوند.

آمار رشد بازار WPT و هواپیماهای بدون سرنشین 

تصویر در اندازه کامل

تکنیک های WPT انتقال توان قابل اعتماد و کارآمد را برای پهپادها ارائه می دهد. با این حال، تکنیک‌های WPT برای شارژ پهپادها باید محدودیت‌های حیاتی را تحت بار، تداخل، شرایط آب و هوایی سخت و ناهماهنگی در نظر بگیرند. در میان این عوامل حیاتی، ناهماهنگی یک چالش غالب است زیرا پهپادها عمدتاً از مشکلات دقت فرود رنج می برند. تکنیک های WPT مجهز به پهپاد باید سبک وزن باشند. این تکنیک ها باید از شارژ کارآمد و فرود با دقت بالا همراه با تحمل ضریب ناهماهنگی اطمینان حاصل کنند. چندین کار تحقیقاتی برای شارژ پهپاد از طریق تکنیک های مختلف WPT انجام شده است . ما برخی از این مطالعات را در مورد سیستم های WPT مبتنی بر پهپاد در جدول 12 خلاصه کرده ایم .

3.1.1 شارژ پهپاد مبتنی بر سلول فتوولتائیک (PV).

سلول های PV برای شارژ باتری ها با استفاده از نور خورشید استفاده می شوند و می توانند زمان پرواز پهپادها را به میزان قابل توجهی افزایش دهند. در حضور نور خورشید، سلول های PV نیروی مورد نیاز پهپادها را تامین می کنند. اما در غیاب نور خورشید، برق مورد نیاز از طریق باتری ها تامین می شود. چندین مطالعه تحقیقاتی در مورد پهپادهای خورشیدی گزارش شده است . به گفته فاضل پور و همکاران. ، پارامترهای مختلف نقش عمده ای در انتقال انرژی خورشیدی مانند نوع سلول PV، موقعیت، جهت، هندسه، شدت دما، شرایط آب و هوایی و زاویه تابش خورشید دارند. با این حال، این تکنیک در غیاب نور خورشید بسیار محدود است. شرایط جوی مانند ابر، مه، باران، دما، رطوبت می تواند به طور قابل توجهی کارایی و قابلیت اطمینان پهپاد را کاهش دهد. بنابراین پیشنهاد می‌شود راه‌حل‌های جایگزین برای ادامه مأموریت پهپاد تحت چنین سناریوهایی بررسی شود. کنترل موقعیت سلول های PV بر اساس نور خورشید، افزایش اندازه سلول های PV یا باتری های پهپاد، و حمل منبع تغذیه اضافی برخی از این استراتژی ها هستند.

در حال حاضر انواع مختلفی از سلول های PV برای اطمینان از راندمان بالا و مقرون به صرفه بودن در دسترس هستند. برخی از مطالعات بر روی سلول های PV سیلیکونی تک کریستالی متمرکز شده اند زیرا از انعطاف پذیری بالا و ادغام آسان با بال های پهپاد پشتیبانی می کنند . انجمن پژوهشی همچنان به دنبال طرح‌های جدید و استراتژی‌های مدیریت انرژی با بهره‌وری بالا، در دسترس بودن و قابلیت اطمینان بالا است. نیاز به تمرکز بر فعالیت های تحقیقاتی در منظر مواد وجود دارد زیرا راندمان پایین این سلول های PV یک محدودیت اصلی است . در  نویسندگان رویکرد بهینه‌سازی را برای مسیر پهپادهای خورشیدی به منظور دستیابی به تابش خورشیدی بالا در استفاده کم از انرژی مکانیکی پیشنهاد کردند. در ، نویسندگان گزارش دادند که انرژی خورشیدی ممکن است برای هواپیماهای اندازه کوچک مفید باشد. آنها نموداری را همانطور که در شکل  9 نشان داده شده است ترسیم کردند که اندازه سلول PV، اندازه و جرم پهپاد را برای یک پرواز معلق مداوم در نظر می گیرد. برای ترسیم این نمودار، نویسندگان 30 درصد سلول‌های کارآمد، 1/3 نور خورشید و پهپادهایی را که قادر به شناور شدن خودکار حسگر هستند، فرض کردند. جدول 13 اندازه سلول PV مورد نیاز برای معلق بودن مداوم با انرژی خورشیدی برای پهپادهای مختلف را نشان می دهد.

شناور با انرژی PV به نفع هواپیماهای کوچک است

تصویر در اندازه کامل

پهپادهای خورشیدی در هر دو بخش دانشگاهی و صنعتی مورد توجه قرار گرفته اند. چندین فعالیت تحقیقاتی و صنعتی در مورد پهپادهای خورشیدی آغاز شده است. شکل  10 پروژه های هواپیماهای بدون سرنشین با انرژی خورشیدی توسط غول های فناوری مانند گوگل و فیس بوک را نشان می دهد. گوگل شروع به استفاده از این پهپادها برای دسترسی به اینترنت در مناطق دورافتاده کرد. در حال حاضر از این پهپادها برای اطفای حریق جنگل ها، پوشش اینترنتی، ارتباطات در ارتفاعات بالا، نظارت بر مرزها و بازرسی خطوط برق استفاده می شود.

پهپادهای خورشیدی پروژه گوگل، پروژه فیس بوک 

تصویر در اندازه کامل

3.1.2 شارژ با پرتو لیزر

انتقال توان لیزری (LPT) یکی دیگر از تکنیک‌های شارژ امیدوارکننده است که معمولاً در مأموریت‌های فضایی و نظامی استفاده می‌شود . در این روش شارژ، از دیودهای لیزری با طول موج های مختلف برای رساندن توان به سلول های PV یکپارچه بر روی پهپادها استفاده می شود. این سلول های PV انرژی را از پرتوهای لیزر برای شارژ باتری ها یا رساندن توان مورد نیاز به پهپادها برداشت می کنند. این تکنیک شارژ بیشتر برای پهپادهای بال ثابت و بال چرخشی استفاده می شود. انتقال توان لیزری یک رویکرد امیدوارکننده برای اطمینان از استقامت نامحدود در نظر گرفته می شود. این می تواند انرژی بالایی برای پشتیبانی از عملیات های مختلف از راه دور تشنه انرژی پهپادها ارائه دهد . مطالعات متعددی در مورد تکنیک های LPT گزارش شده است . در  نویسندگان یک مکانیسم طراحی کنترلر را با در نظر گرفتن ماژول PV لیزری برای تنظیم تبدیل توان سیستم LPT معرفی کردند. در کار گزارش شده دیگری ، نویسندگان نتایج مربوط به ولتاژ، جریان و بازده را با در نظر گرفتن یک سیستم LPT مورد بحث قرار دادند. علاوه بر این، نویسنده در  تجزیه و تحلیل طول موج و دمای خروجی سلول های PV را در یک سیستم شارژ مبتنی بر لیزر انجام داد. در ، نویسندگان مأموریت های مبتنی بر پهپاد را برای مدت طولانی با در نظر گرفتن تکنیک های مختلف مورد بحث قرار دادند. نویسندگان شارژ لیزر را بر اساس منبع لیزر کم مصرف و مصرف انرژی دقیق برای پهپاد همراه با بررسی پویایی آن در یک محیط ماموریت مورد بحث قرار دادند. در مطالعه گزارش شده دیگری گ نویسندگان مشکل مشترک مسیر و بهینه سازی توان را در یک شبکه رله سیار مجهز به پهپاد با بال چرخشی بررسی کردند. به منظور حمایت از تامین انرژی پایدار و راحت، آنها شارژ بی سیم پهپاد را از طریق یک چراغ برق و به درستی از طریق یک سیستم شارژ لیزری انجام دادند. جدای از مزایای مختلف سیستم های LPT، چندین مسئله حیاتی مانند تحرک، انسداد و عملکرد محدود در پروازهای مسافت طولانی وجود دارد. علاوه بر این، این سیستم در فرودگاه ها و مناطق نظامی که استفاده از پرتو لیزر می تواند مضر باشد، امکان پذیر نیست. در شکل  11 ، ما یک سیستم LPT را برای شارژ چند پهپاد ارائه می کنیم.

سیستم LPT برای شارژ چند پهپاد

تصویر در اندازه کامل

فعالیت‌های جاری در استقرار پهپاد، نسل جدیدی از برنامه‌های کاربردی امیدوارکننده را برای انجام مأموریت‌های مستقل ایجاد کرده است. این بخش چندین حوزه کاربردی برجسته پهپادها را برجسته می کند.

4.1 مدیریت بلایا

پهپادها می توانند در صورت وقوع یک فاجعه انسانی یا زیست محیطی، مانند حملات تروریستی، سونامی و سیل، از مناطق حادثه خیز که برای عملیات سرنشین دار ناامن هستند، بازدید کنند. برق، زیرساخت های مخابراتی، تاسیسات آب و حمل و نقل همگی در برابر این بلایا آسیب پذیر هستند. پهپادها می توانند در جمع آوری داده ها، نیاز به پاسخ های سریع و ناوبری زباله ها کمک کنند. پهپادهای مجهز به حسگرها، رادارها و دوربین‌های با وضوح بالا می‌توانند به تیم‌های نجات در شناسایی آسیب‌ها، راه‌اندازی تلاش‌های بازیابی فوری و ارسال تجهیزات از جمله هلیکوپترهای سرنشین دار کمک‌های اولیه و کیت‌های پزشکی کمک کنند. پهپادها می توانند به ارزیابی فاجعه، هشدارهای بلایا و کشف اقدامات پیشگیرانه در زمان واقعی کمک کنند. گروهی از پهپادهای مجهز به تجهیزات آتش نشانی می توانند هر منطقه را در صورت وقوع آتش سوزی بدون به خطر انداختن جان انسان رصد، تحلیل و ردیابی کنند. در نتیجه، پهپادها ممکن است به نظارت بلادرنگ از یک منطقه وسیع بدون به خطر انداختن ایمنی و امنیت افراد درگیر کمک کنند. وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV) می توانند به یافتن افراد و حیوانات در خطر کمک کنند تا بتوان آنها را نجات داد.

4.2 سنجش از دور

فناوری پهپاد به طور فزاینده ای توسط آماتورها برای جمع آوری داده های تصویربرداری با وضوح بالا از مکان های جدا شده مانند قله کوه ها، خطوط ساحلی و جزایر استفاده می شود. استفاده از پهپادها به عنوان پیوندی بین داده های سنجش از راه دور هوایی، زمینی و فضایی عمل می کند. ویژگی های مقرون به صرفه و فوق سبک پهپادها، رصد تفکیک مکانی و زمانی را امکان پذیر می کند. تشخیص بیماری، بازرسی کیفیت آب، پایش قحطی، تخمین بازده گاز و نفت، حفاظت از منابع طبیعی، بررسی بلایای زمین‌شناسی، بررسی توپوگرافی، نقشه‌برداری جنگل‌ها، مدل‌سازی هیدرولوژیکی و مدیریت محصول همگی از کاربردهای احتمالی پهپاد سنجش از راه دور هستند. کیفیت پایین آب به دلیل تخلیه فاضلاب و آلودگی مواد مغذی یک نگرانی حیاتی در برخی از محیط‌های دریایی و ساحلی است. به ویژه، جریان مواد مغذی از فعالیت‌های کشاورزی، شهری و صنعتی می‌تواند باعث شکوفه‌های مضر جلبکی (HABs) شود که در نهایت سموم مضر را تولید می‌کند. برخی از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی در ویرجینیا و فلوریدا، ایالات متحده آمریکا بر استفاده از پهپادها برای ردیابی و شناسایی اولیه HAB‌ها از طریق حسگرهای فراطیفی تمرکز دارند. با این حال، چالش‌های متعددی وجود دارد که باید برای عملی کردن این فناوری برای فعالیت‌های نظارتی ساحلی مقابله کرد. علاوه بر این، این تکنیک همچنین در باستان شناسی و نقشه برداری برای نقشه برداری جمعی و تولید نقشه های جوی سه بعدی استفاده می شود. هواپیماهای بدون سرنشین ممکن است داده‌های فعلی را با هزینه کم ارائه دهند و به برنامه‌ریزان زمین اجازه می‌دهد از بسته شدن به منابع نقشه‌برداری منسوخ اجتناب کنند.

4.3 جستجو و نجات (SAR)

وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (پهپادها) در مناطقی مانند مدیریت خطر بلایا، ماموریت های نجات و امنیت عمومی حیاتی در نظر گرفته می شوند. پهپادها ممکن است با ارائه داده های تصویربرداری بلادرنگ از سایت های مورد نظر، در زمان و منابع زیادی صرفه جویی کنند. در نتیجه، گروه SAR می‌تواند مکان‌هایی که کمک لازم است را شناسایی و مشخص کند. برای مثال می توان از هواپیماهای بدون سرنشین برای تعقیب کوهنوردان گمشده در هر سفر یا برای دفاع از انسان در هر جنگل یا بیابان منزوی استفاده کرد. بنابراین پهپادها ممکن است به ردیابی قربانیان بدشانس و همچنین هر زمین سخت یا شرایط آب و هوایی سخت کمک کنند. پهپادها می توانند تجهیزات پزشکی حیاتی را قبل از رسیدن اورژانس یا پزشک تحویل دهند. پهپادهای حاوی مواد غذایی و تجهیزات پزشکی مانند واکسن، کیت های پزشکی و جلیقه های نجات را می توان به جوامع فاجعه زده و مکان های ایزوله فرستاد. به عنوان مثال، پهپادها می توانند قبل از رسیدن نیروهای امدادی، لباس، آب و سایر وسایل ضروری را به افراد سرگردان در مناطق سخت تحویل دهند. این فناوری می تواند به سرعت بخشیدن به تلاش های SAR در بلایایی مانند پرسنل ماموریت، سقوط بهمن، آتش سوزی جنگل ها و نفوذ گاز مرگبار کمک کند.

4.4 بازرسی زیرساخت و ساخت و ساز

پهپادها نقشه‌های ساخته شده، نظارت پروژه و بررسی‌ها را کارآمدتر، ساده‌تر و سریع‌تر کرده‌اند. پیگیری توسعه پروژه ساختمان از ابتدا تا انتها تضمین می کند که کار در سایت از کیفیت بالایی برخوردار است. ممکن است گزارش هایی را به ذینفعان احتمالی ارائه دهد که شامل تصاویر، ویدئو و نقشه برداری سه بعدی می شود. زیرساخت ها و برنامه های بازرسی ساخت و ساز می توانند از این رویکرد سود زیادی ببرند. پهپادها برای ارزیابی سیستم جهانی برج‌های ارتباطات سیار (GSM)، مراقبت از خطوط لوله گاز، بازرسی کابل‌های برق و زیر نظر گرفتن پروژه‌های ساختمانی محبوبیت بالایی به دست می‌آورند .

4.5 کشاورزی دقیق

پهپادها را می توان در کشاورزی هوشمند برای به دست آوردن اطلاعات خاص از طریق حسگرهای زمینی (کیفیت آب، ترکیب خاک، رطوبت و غیره)، سمپاشی آفت کش ها، تشخیص بیماری، برنامه ریزی آبیاری، شناسایی علف های هرز، و نظارت و مدیریت محصولات کشاورزی نصب کرد. کاربرد پهپادها در کشاورزی دقیق یک استراتژی مقرون به صرفه و صرفه جویی در زمان است که می تواند درآمد، عملکرد و تولید کشاورزی سیستم های کشاورزی را بهبود بخشد. علاوه بر این، پهپادها به آسیب حشرات، پایش علف‌های هرز، سمپاشی شیمیایی و مدیریت مزرعه کمک می‌کنند و در نتیجه بازده محصول بالاتری را برای رسیدگی سریع به این مشکلات به همراه دارند. پهپادها همراه با سنجش از راه دور این پتانسیل را دارند که کشاورزی هوشمند را متحول کنند. تفکیک زمانی، جغرافیایی و طیفی و همچنین مشاهدات چند زاویه ای و داده های جامع ارتفاع پوشش گیاهی را ارائه می دهد. با انجام نقشه برداری هوایی پیچیده، پهپادها می توانند تأثیر زیادی بر سیستم کشاورزی داشته باشند. پهپادهای مجهز به دوربین ها و حسگرهای لازم می توانند وضعیت سلامت محصول از جمله سطح برگ، آلاینده های خارجی، محتوای کلروفیل و دما را تجزیه و تحلیل کنند . WH Maes و همکاران پیشرفت سنجش از دور از طریق هواپیماهای بدون سرنشین را در ارزیابی قدرت رشد، وضعیت تغذیه، شناسایی بیماری و علف های هرز و تنش خشکی ارزیابی کرد . با تعداد بیشتر عکس‌های پهپاد، روش‌های تصویر دیجیتال قادر به مطالعه بیماری‌های گیاهی و موارد دیگر در آینده خواهند بود.

4.6 نظارت بر ترافیک جاده ها در زمان واقعی

ادغام پهپادها با سیستم های نظارت بر ترافیک جاده ای (RTM) کنجکاوی بسیاری را برانگیخته است. پهپادها می توانند 100% اتوماسیون صنعت حمل و نقل را در RTM انجام دهند . جوخه های نجات، نقشه برداران جاده، پلیس راهنمایی و رانندگی، و پرسنل پشتیبانی میدانی همگی خودکار خواهند بود. پهپادهای قابل اعتماد و هوشمند می توانند با اتوماسیون این قطعات پشتیبانی کنند. پهپادها به عنوان ابزاری جدید برای جمع‌آوری داده‌ها در مورد موقعیت‌های ترافیکی بزرگراه‌ها ظهور کرده‌اند. در مقایسه با سیستم‌های نظارت سنتی، به‌عنوان مثال، دوربین‌های نظارتی، حسگرهای اولتراسونیک و آنالایزرهای مدار، پهپادهای ارزان‌قیمت یا هواپیماهای بدون سرنشین می‌توانند بخش‌های بزرگی از جاده را بازرسی کنند . پلیس محلی می‌تواند از هواپیماهای بدون سرنشین برای به دست آوردن تصویر واضحی از تصادفات جاده‌ای یا برای سرکوب امنیتی گسترده فعالیت‌های غیرقانونی در امتداد بزرگراه، از جمله سرقت خودرو، استفاده کند. برخی از پیامدهای دیگر شامل تشخیص وسیله نقلیه است. یورش به خودروهای مشکوک؛ تعقیب هواپیماربایان و سارقان مسلح یا هرکسی که مقررات راهنمایی و رانندگی را زیر پا بگذارد. همچنین ممکن است برای نظارت بر رانندگی و حوادث در وسایل نقلیه و احتمالاً جلوگیری از تنگناهای ترافیکی و ازدحام بیش از حد استفاده شود . شکل  12 نمای کلی از خدمات پهپاد در جاده را نشان می دهد.

کمک پهپاد در بزرگراه

تصویر در اندازه کامل

به همین ترتیب، پهپادها ممکن است برای نظارت بر شرایط جاده، مانند تشخیص شکستگی و ارائه هشدار اولیه برای جلوگیری از تصادفات رانندگی و کاهش آسیب استفاده شوند. در حال حاضر بازرسی و نظارت راه ها با استفاده از وسایل نقلیه انسانی انجام می شود و سطح اتوماسیون باید افزایش یابد. ترکیبی از فناوری های بازرسی جاده با پهپادها این پتانسیل را دارد که آسیب های جاده را به شدت به حداقل برساند. پهپادها می‌توانند از ترک‌های جاده عکس بگیرند و از الگوریتم‌های تشخیص هدف برای کشف آن‌ها استفاده کنند.

4.7 پهپاد برای احیای خودکار جنگل

یکی دیگر از مناطق مورد مطالعه در حال توسعه، استفاده از پهپادها برای احیای جنگل های کنترل شده (AFR) است. پهپادها می‌توانند برای کمک به انجام فعالیت‌های پوشش گیاهی مجدد استفاده شوند، به‌عنوان مثال، زیرساخت‌های سایت، بازرسی سایت، طرح احیا، تهیه نهال، نگهداری محل (به عنوان مثال جوانه زدن و وجین‌های هرز)، و بررسی تنوع زیستی پس از مداخلات بازسازی  . فناوری موجود، مانند GPS و سنسورهای تصویر، به پهپادها در انجام وظایف خاص، مانند بازرسی‌های اساسی محل قبل از بازسازی و نظارت بر جنبه‌های مختلف احیای تنوع زیستی کمک می‌کند. پهپادها می توانند هرگونه تغییر در دما، عملکرد جنگل و ترکیب اکولوژیکی را ارزیابی کنند، از این رو به نظارت بر کاشت مجدد کمک می کنند . دوربین‌های با وضوح بالا که بر روی پهپادها نصب شده‌اند، می‌توانند اطلاعات مفیدی در مورد جنگل‌های طبیعی برای کمک به طرح‌های احیای جنگل ارائه دهند. دوربین‌های پهپاد با وضوح مناسب به دلیل سادگی در جمع‌آوری و تحرک داده‌ها، می‌توانند به شناسایی و مطالعه مناظر جنگلی کمک کنند. به همین ترتیب، حسگرهای نوری نصب شده بر روی پهپادها برای به دست آوردن ویژگی های هندسی جنگل ها، مانند پوشش گیاهی، قطر و طول استفاده می شوند . پهپادها همچنین می توانند برای سنجش از راه دور استفاده شوند، که روشی قابل اعتماد و موثر برای نظارت بر جنگل ها است که با روشی که در گذشته انجام می شد متفاوت است.

4.8 پهپاد برای نظارت بر خطوط برق هوایی

تشخیص خطا و اجتناب از خط برق برای قابلیت اطمینان و کیفیت ظرفیت تولید بسیار مهم است. روش های سنتی دارای چندین معایب هستند، از جمله هزینه های گران، استقرار نامناسب و خطرات خطرناک. در نتیجه، محققان به توزیع و بازرسی خطوط برق مبتنی بر پهپاد علاقه مند هستند، همانطور که در شکل  13 نشان داده شده است . ایمنی یک سیستم انتقال نیرو گاهی اوقات به عنوان بازرسی خطوط برق شناخته می شود. استفاده از دوربین دیجیتال نصب شده بر روی پهپاد برای عکاسی از راهروهای خطوط برق یک راه عملی برای انجام وظایف بازرسی است . پهپادها همچنین می توانند برای جستجوی پیچ های شکسته، زنگ زدگی یا خوردگی و برخورد صاعقه به دکل های برق نصب شوند. مشکل اتصال کوتاه خطوط برق بیشتر به دلیل آب و هوای شدید، آتش‌سوزی در بوته‌ها و سقوط درختان ایجاد می‌شود. نویسندگان یک تحقیق اخیر  استفاده از پهپادها را برای شناسایی و نظارت بر عیوب در خطوط انتقال هوایی مورد بررسی قرار دادند. برای یافتن عیوب، هم از روبات های کوهنورد و هم از پهپادهای پرنده می توان استفاده کرد. این وظایف بازرسی ممکن است توسط پهپادها با هزینه کمتری نسبت به هلیکوپترها و با خطر کمتری نسبت به گشت پیاده سنتی انجام شود. پهپادهای بال ثابت که می توانند در ارتفاع و سرعت بالا نسبت به سایر پهپادها پرواز کنند، بیشتر برای بازرسی خشن مورد استفاده قرار می گیرند. از سوی دیگر، پهپادهای مولتی روتور، با شناور شدن، عکس‌هایی را در هوا در فاصله نزدیک‌تری از اجسام به دست می‌آورند. پهپادهای مولتی روتور به دلیل تحرک سه بعدی عالی خود ایده آل هستند. علیرغم این مزایا، برنامه ریزی ماموریت مستقل و هدایت یک پهپاد مولتی روتور در یک منطقه محدود یا پیچیده دشوار است. ابزارهای جمع‌آوری، مبادله و پردازش داده‌های پیشرفته برای شبکه‌های پهپاد مشترک باید در آینده مورد تحقیق قرار گیرد تا بازرسی‌های قابل اعتماد، کارآمد و سریع‌تر ارائه شود.

بازرسی خطوط برق از طریق پهپاد

تصویر در اندازه کامل

4.9 پهپاد برای نظارت و ارزیابی تنش گیاه

پهپادها به یک عنصر جدایی ناپذیر از جمع آوری داده ها در چندین برنامه تبدیل شده اند. استفاده از پهپادها در کشاورزی در چندین سناریو بسیار مناسب است. در حال حاضر، استفاده از پهپادها برای نظارت و ارزیابی محصولات، جنگل ها و باغات به طور پیوسته در حال گسترش است. آنها نقش عمده ای در مدیریت تنش گیاهی مانند آفات، کمبودهای تغذیه ای، بیماری ها و کیفیت و کمیت آب دارند. مطالعات متعددی در مورد ارزیابی ارتفاع گیاه، برآورد پوشش تاج پوشش، طبقه بندی پوشش گیاهی، تخمین زیست توده، پیش بینی عملکرد و تشخیص تنش گزارش شده است . هر دامنه دارای جنبه های خاصی است که باید برای پرداختن به تاثیر سرویس های دارای پهپاد در نظر گرفته شود. در میان این حوزه ها، تشخیص تنش گیاهی و کمی سازی مورد توجه قرار گرفته است.

چندین رویکرد مبتنی بر پهپاد برای ارزیابی تنش گیاه استفاده می شود. با این حال، کاستی های متعددی وجود دارد که مانع استفاده از آنها در مقیاس بالا می شود. برای مثال، تکنیک‌های مبتنی بر تصاویر حرارتی با تأثیر منفی عوامل مختلف از جمله الگوهای هدایت روزنه‌ای، معماری تاج‌پوش، سایه‌ها و پس‌زمینه خاک محدود می‌شوند. به طور مشابه، روش‌های مبتنی بر تصاویر فراطیفی و چندطیفی از وضوح‌های فضایی، فرشته ثبت، روشنایی و ساختار سایه‌بان رنج می‌برند. علاوه بر این، تصاویر قرمز، سبز و آبی (RGB) مبتنی بر پهپاد تنها در سناریوهای دید واضح قابل اجرا هستند. اگرچه تکنیک‌های مبتنی بر تصویر برای کاربردهای آفت‌کش‌ها، شیوه‌های آبیاری، پیش‌بینی بیماری و پیشگیری و اطلاعات آب‌وهوا مفید هستند، اما صرف‌نظر از تکنیک‌های استقرار و دستگاه‌های سنجش، هنوز امکان‌پذیر نیستند. برای غلبه بر محدودیت‌های ذکر شده، نیاز به توسعه تکنیک‌های پیچیده ML و بینایی کامپیوتری همراه با حسگرهای جدید برای پهپادها وجود دارد. در عین حال، برادری پژوهشی باید آزمایش‌های بیشتری را برای مطالعه فیزیولوژی گیاه و تأثیر تنش‌های مختلف بر فرآیند بیولوژیکی انجام دهد. این یک فرصت عالی برای مشارکت در این حوزه و یافتن راه حل های قابل اجرا خواهد بود.

4.10 پهپاد برای اکتشاف فضایی

از چند سال گذشته یک روند در حال ظهور برای استفاده از پهپادها برای اکتشاف سیاره وجود دارد. پهپادها پتانسیل های فوق العاده ای برای انجام ماموریت های فضایی ما مانند مطالعه در مورد سطح ماه و جو ارائه می دهند. اگرچه چندین تکنیک اکتشاف سیاره ای برای انجام این ماموریت ها از جمله مریخ نوردها، فرودگرها، مدارگردها، بالون های پرنده، فضاپیماهای پرنده، کاوشگرها و تلسکوپ ها در دسترس هستند . با این حال، این تکنیک ها با وضوح، اطلاعات محدود و تطبیق پذیری محدود می شوند. بنابراین، پهپادها اخیراً به دلیل مزایای متعدد در چنین مأموریت هایی مورد توجه قرار گرفته اند. چندین نهاد دولتی و آژانس فضایی از جمله سازمان ملی هوانوردی و فضایی (ناسا) استفاده از پهپادها را برای سایر اجسام خورشیدی آغاز کرده‌اند. محققان بر روی کارهای اکتشافی خورشیدی از طریق پهپادهای خودمختار، نیمه خودمختار و پهپاد متمرکز شده‌اند. به گفته شارما و همکاران . پهپادها شانس خوبی برای پرواز در جو مریخ دارند. این به دلیل ویژگی های بالقوه شناور، VTOL و پرواز به جلو با سرعت کم است. به طور خاص، پهپادها در مقایسه با مدارگردها و مریخ نوردهای خروجی، منطقه پوشش وسیعی را ارائه می دهند. از آنجایی که گرانش در سطح مریخ کمتر است و چگالی کمی دارد، پهپاد می تواند به ارتفاع بهینه 380 متر دست یابد. با این حال، برخی از چالش ها هنوز از نظر کارایی و هزینه وجود دارد. بنابراین، نیاز به توسعه سیستم پیشرانه سازگار، طراحی آیرودینامیکی مناسب و مسیر پرواز بهینه وجود دارد.

4.11 نظارت و مدیریت مزارع آبزی پروری

پهپادها توانایی نظارت بر مزارع پرورش ماهی در آبزی پروری، به ویژه در سایت های فراساحلی را دارند. تحرک و مقرون به صرفه بودن پهپادها دسترسی به مناطق دورافتاده را تضمین می کند. اتوماسیون و مکانیزاسیون برای نظارت بر مزارع از طریق پهپادها، حسگرها و رویکردهای هوش مصنوعی (AI) از کشاورزان برای جمع‌آوری اطلاعات در مورد مزارع و تعامل موثر پشتیبانی می‌کند. علاوه بر این، با توجه به پیشرفت های گسترده در صنعت آبزی پروری، پهپادها را می توان برای دستیابی به نتایج هدف و نظارت موثر بر سایت های مزرعه در حال گسترش استفاده کرد. پهپادها می توانند به طور قابل توجهی هزینه و نیروی کار در صنعت آبزی پروری را کاهش دهند، بنابراین از طریق به حداقل رساندن مرگ و میر در مزرعه، پایداری در شکل ماهی را فراهم می کنند. در آبزی پروری، پهپادها می توانند برای گرفتن تصاویر بلادرنگ از گونه های زیر آب، مشاهده رفتار ماهی، سنجش از راه دور، نظارت بر محل، مدیریت تغذیه ماهی و ارزیابی گونه مورد استفاده قرار گیرند .

پهپادها مزایای بسیار زیادی برای نظارت بر مزارع آبزی پروری کلپ دریایی ارائه می دهند. کلپ های غول پیکر از محصولات آبزی پروری موثر هستند که به منظور دستیابی به حداکثر تولید و بهینه سازی زیست توده و محتوای غذایی نیاز به نظارت منظم دارند. برای این منظور می توان از یک پهپاد کوچک حامل حسگر نوری سبک برای نظارت بر این مزارع استفاده کرد. می تواند مقدار نیتروژن بافت، تراکم و مساحت تاج را بر اساس مقیاس های مکانی و زمانی تخمین بزند که نقش مهمی در مشاهده هرگونه تغییر در کلپ دارد. پهپادها با حسگرهای یکپارچه مانند دوربین‌های فراطیفی، چندطیفی و RGB می‌توانند برای ارائه تصویری طبیعی از تاج جنگل کلپ استفاده شوند. به طور مشابه، پهپادها را می توان برای مشاهده و مشخص کردن تحرک گلوله ها استفاده کرد. از طریق اطلاعات جمع آوری شده، کشاورزان می توانند به بهینه سازی تغذیه دست یابند.

4.12 پهپاد در خدمات فوریت های پزشکی

پهپادها پتانسیل زیادی در شهرهای هوشمند در سراسر جهان نشان داده اند. شهرهای هوشمند دارای سیستم مراقبت های بهداشتی هوشمند مبتنی بر تله متری، تجهیزات پزشکی قابل کاشت و پهپادهای پزشکی هستند تا به سرعت لوازم کمک های اولیه را تحویل دهند. در حال حاضر، پهپادها قد خود را برای مقابله با همه گیر COVID-19 در کشورهای مختلف ثابت کرده اند. با این حال، شایان ذکر است که سازمان پیشرو برای مقابله با COVID-19، موسسه ملی EMS به همراه چندین حزب مانند پرسنل EMS، پرستاران و پزشکان است. علاوه بر این، چندین سیاست‌گذار در حال بررسی اقدامات پیشگیرانه مختلف برای مبارزه با COVID-19 هستند که شامل پوشیدن ماسک‌های جراحی، اجتناب از لمس صورت، شستشوی منظم دست‌ها، قرنطینه شهر، اجتناب از مناطق پرخطر، اجتناب از تجمعات اجتماعی و اجرای کدهای بهداشتی می‌شود . سیاست گذاران باید قبل از ارائه هر گونه اقدام جدید، تعادل بین اقتصاد و امنیت عمومی را در نظر بگیرند. در حال حاضر، پهپادها برای انجام وظایف مختلفی برای جلوگیری از COVID-19 استفاده می شوند، مانند:

• حمل و نقل بیماران
• اطلاعیه های عمومی
• نظارت بر جمعیت
• ضدعفونی پاشی
• غربالگری انبوه
• مانیتورینگ هوایی تاج
• تحویل واکسن و سایر لوازم پزشکی

یک کاربرد بسیار رایج پهپادها، نظارت یا نظارت بر هر منطقه خاص است. دوربین های ادغام شده با پهپاد می توانند به نظارت در زمان واقعی کمک کنند. دوربین های حرارتی را می توان برای ردیابی بیماران تب دار اجرا کرد. این امر به اجرای سریع قوانین جداسازی در هر منطقه خاص به منظور کاهش خطر گسترش بیشتر بیماری کمک می کند. به طور مشابه، بلندگوی داخلی می تواند به ارائه سیاست های رسمی و ارائه دستورالعمل های مناسب در هر جامعه کمک کند . پهپادها می توانند به تحویل اقلام زندگی روزمره کمک کنند و از کاهش تماس انبوه در بازارهای شلوغ یا سایر مکان های عمومی اطمینان حاصل کنند. علاوه بر این، پهپادها می توانند در کارهای حمل و نقل مانند تحویل تهیه دارو و جمع آوری نمونه آزمایش کووید، پشتیبانی کنند و در نهایت خطر تماس با فرد عفونی و انتشار ویروس را کاهش دهند. پهپادها همچنین می توانند نقش خود را در آزمایش اسید نوکلئیک، جمع آوری نمونه و ارائه گزارش ایفا کنند. آنها همچنین می توانند برای ضدعفونی پاشی به منظور کاهش قابلیت زنده ماندن ویروس بر روی سطح استفاده شوند. در سال 2020، پهپادها در طول بحران COVID-19 برای تحویل تجهیزات پزشکی در ایالات متحده آمریکا، چین، شیلی و غیره استفاده شده اند. اخیراً، Zipline با همکاری Novant-Health واکسن های COVID-19 را در کارولینای شمالی، ایالات متحده آمریکا ارائه کرده است. پهپادها برای ارائه تجهیزات حفاظت فردی به کارکنان خط مقدم مبارزه با این بیماری همه گیر استفاده شده است. کاربردهای مختلف پهپادها برای مقابله با COVID-19 در شکل  14 ارائه شده است .

نقش پهپادها در همه گیری کووید-19

تصویر در اندازه کامل

4.13 پهپاد برای ارتباطات دریایی و نظارت

سکوی هوایی شامل استفاده از ایستگاه های سکوی ارتفاع بالا (HAPS)، پرواز تا فاصله 20 کیلومتری از زمین و پهپادهایی است که در چند صد متر بالاتر از سطح دریا پرواز می کنند . برخی از پهپادها را می‌توان از راه دور از قایق‌های کوچک نصب کرد، در حالی که سیستم‌های بزرگ‌تر برای پرتاب و عملیات به معماری‌های خشکی متکی هستند. این فناوری مکمل وسایل نقلیه سطحی و زیر آبی است زیرا می توان آن را به راحتی در هوا در برخی از مسافت ها و ارتفاعات کنترل کرد و بنابراین با سرعت و موقعیت متفاوتی ارتباط برقرار کرد. در شبکه‌های دریایی، پهپادها می‌توانند به ارسال داده‌ها از ایستگاه زمینی به کشتی سیار حتی در غیاب مسیر LoS کمک کنند. علاوه بر این، پهپادها می‌توانند داده‌ها را از حسگرهای IoT واقع در اقیانوس‌ها و داده‌ها را از/به USV ها ارسال کنند. محدودیت اصلی در عملکرد پهپادها ظرفیت باتری و بار محدود است. این محدودیت را می توان از طریق پهپادهای متصل به منبع تغذیه برطرف کرد. با این حال، می تواند مشکل دیگری از تحرک محدود ایجاد کند. نیاز به یافتن مسیر بهینه برای جمع آوری داده ها از گره های حسگر در محیط دریایی وجود دارد. برخی از کارهای اخیر در مورد پهپادهای متصل شده بر روی شناورها گزارش شده است . پهپادهای متصل می توانند در محدوده محدودی بالای سطح آب با تحرک و پوشش محدود شناور شوند. همچنین، فیبرهای نوری را می توان با پهپادهای متصل به هم متصل کرد تا نرخ انتقال بالا را تضمین کند. با این حال، HAP ها مناسب تر هستند زیرا پوشش گسترده ای را ارائه می دهند. علاوه بر این، HAP ها می توانند آنتن های بزرگ حمل کنند، محدودیت های وزن کمتری را از بین ببرند و تا چند ماه استقلال ارائه دهند.

با توجه به مزایای بسیار زیاد پهپادها در ارتباطات دریایی، کانال های بی سیم پهپاد به کشتی باید توسعه یابد. علاوه بر این، آزمایش سیستم کارآمد باید برای شبکه‌های امیدوارکننده پهپاد به کشتی انجام شود. در محیط‌های دریایی، ارتباطات پهپاد با ویژگی‌های کانال متفاوتی از جمله دمای تروپوسفر بالای اقیانوس، فشار، ضربه موجبر به دلیل رطوبت، تضعیف سیگنال به دلیل تغییرات آب و هوا و نوسانات نامنظم آب دریا مواجه است. بر خلاف کانال های پهپاد زمینی به زمین، اثر پراکنده بر روی پهپاد به کشتی به دلیل امواج نامنظم دریا ناهموار است. به طور مشابه، انتشار موجبر یکی دیگر از عوامل ضروری در کانال های پهپاد به کشتی است که در نهایت ویژگی های کانال های مختلفی را معرفی می کند. به منظور اطمینان از ارتباطات پیچیده پهپاد در چنین محیط‌های دریایی، مدل‌سازی کانال مرتبط یک منطقه تحقیقاتی باز برای مشارکت‌های آینده است. در ایالات متحده، هم گارد ساحلی و هم نیروی دریایی گروهی از پهپادهای کوچک را برای کمک به دارایی های سرنشین دار مستقر کرده اند که در بسیاری از جنبه ها برای حمایت از اجرای قانون، نظارت و ماموریت های نظامی در محیط های دریایی و ساحلی پشتیبانی می کنند. علاوه بر این، دو سیستم مستقر در ایالات متحده ScanEagle و MQ-4C Triton برای مأموریت های دریایی استفاده می شوند. سنسور اولی با رادار و همچنین حسگرهای فروسرخ (IR) و الکترواپتیکال (EO) مستقر شده است، که قادر به انجام ماموریت های نظارت دریایی مداوم است. قابلیت شناسایی کشتی ها از طریق گیرنده های AIR نصب شده را دارد.

4.14 اتومبیل های پرنده و eVTOL

افزایش سریع هزینه‌های زیرساختی بالا، محدودیت‌های فضای زمین و جمعیت شهری چالشی حیاتی برای سیستم‌های حمل و نقل زمینی آینده است. اتومبیل های پرنده که دیگر محدود به قلمرو داستان نیستند، گامی قابل توجه در صنعت حمل و نقل هستند. خودروهای پرنده و هواپیماهای eVTOL (برخاست و فرود عمودی الکتریکی) برای متحول کردن سیستم حمل و نقل آینده در نظر گرفته شده است که می تواند به طور قابل ملاحظه ای انتشار گازهای گلخانه ای و ردپای کربن وسایل نقلیه شخصی و همچنین زمان سفر را به حداقل برساند. در حال حاضر، بیش از 250 شرکت ابتکارات خود را در مورد eVTOL و اتومبیل های پرنده آغاز کرده اند، و تعداد کمی از وسایل نقلیه راه خود را به زودی به بازار تجاری هموار خواهند کرد . از چند دهه گذشته، گسترش قابل توجهی در استفاده از وسایل نقلیه شخصی در سراسر جهان وجود داشته است که باعث ازدحام ترافیک، تغییر سریع آب و هوا و افزایش مدت زمان رفت و آمد، به ویژه در مناطق شهری شده است. در این راستا، انتظار می‌رود که eVTOL و خودروهای پرنده آینده سیستم حمل‌ونقل هوشمند باشند، زیرا از کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و تراکم ترافیک همراه با بهبود امنیت پشتیبانی می‌کنند. این فناوری های مخرب بر اساس سناریوی کاربردی خود نیازمندی های متنوعی خواهند داشت. به عنوان مثال، وسایل نقلیه شخصی باید مقرون به صرفه، سبک و دارای فضای پارک کمتری باشند، در حالی که سرویس‌های تاکسی خلبانی طبق مأموریت‌های حرکت هوایی روستایی (RAM) و تحرک هوایی شهری (UAM) دارای برد و سرعت هستند.

سازندگان خودروهای پرنده در حال یافتن طرح‌های نوآورانه‌ای برای کوچک‌تر کردن اندازه خودرو از طریق ملخ‌های جداشدنی یا بال‌های جمع‌شونده برای کارهای مختلف مانند حالت رانندگی یا پارکینگ گاراژ هستند. چندین مکانیسم پرواز و پیکربندی بال برای eVTOLها و خودروهای پرنده پیشنهاد شده است تا از پرواز رو به جلو برای کروز و بالابر عمودی برای برخاستن و فرود، اطمینان حاصل شود. در حال حاضر اکثر خودروهای پرنده موجود دارای سیستم تامین انرژی هیبریدی یا فقط بنزینی هستند و قابلیت VTOL ندارند. با این حال، اطمینان از یک ماشین پرنده الکتریکی کامل هنوز مورد بررسی قرار نگرفته است. در مطالعه اخیر ، نویسندگان طراحی سیستم انتقال قدرت کاملاً الکتریکی را با منابع انرژی دوگانه، مانند سلول‌های سوختی هیبریدی و باتری‌ها، برای پشتیبانی از برد طولانی مورد بحث قرار دادند. علاوه بر این، نویسندگان همچنین استفاده از یک ملخ را برای هر دو حالت پرواز و رانندگی به منظور کمک به قابلیت VTOL مورد بحث قرار دادند. علیرغم این پیشرفت‌های فنی، شروع استقرار گسترده ماشین‌های پرنده چالش‌های استانداردسازی و پیامدهای پایداری را تحمیل می‌کند . با وجود این چالش ها، چندین شرکت استراتژی های نوآورانه ای را برای معرفی این وسایل نقلیه پرنده هوشمند در آینده آغاز کرده اند. با گسترش ویژگی های پشتیبانی از صرفه جویی در زمان، محیط زیست، و پتانسیل های اقتصادی، زمان آن فرا رسیده است که نهادهای نظارتی جهشی حیاتی را برای ایجاد توسعه معماری برای ابزار شخصی فضای هوایی شهری انجام دهند. با این پیشرفت‌ها در مقررات حمل‌ونقل هوایی و همچنین فناوری‌های پردازش و حسگر، می‌توان انتظار انتقال به سمت سیستم‌های حمل‌ونقل هوشمند و خودکار آینده‌نگر را داشت.

پهپادها مستعد چندین چالش و محدودیت حیاتی هستند که نیاز به بررسی های آینده دارد. برخی از محدودیت ها در استفاده از پهپاد در شکل  15 ارائه شده است در حالی که چالش های بالقوه مربوط به پهپادها به شرح زیر است:

• یکی از چالش های حیاتی، اطمینان از امنیت داده های حساس مانند موقعیت، مکان و غیره از پهپادها یا پهپادها است. از آنجایی که هیچ رمزگذاری در پهپاد وجود ندارد، خطر ربوده شدن وجود دارد. هک و مسئولیت سایبری مسائل مهم استفاده از پهپادها هستند. در عملیات نظامی، پهپادها در برابر تهدیدات احتمالی نشت اطلاعات آسیب پذیر هستند. هکرها ممکن است کنترل کامل پهپاد را برای سرقت داده ها، تجاوز به حریم خصوصی و هرگونه فعالیت غیرقانونی مانند قاچاق غصب کنند.
• علیرغم ظهور گسترده پهپادها، نیاز مبرمی به ابداع استانداردهایی از سوی نهادهای نظارتی برای عملیات پهپادها در منطقه جغرافیایی کشورهای مختلف وجود دارد. یک مانع عمده در استفاده گسترده از پهپادها، ابهام یا عدم وجود استانداردها و مقررات قابل توجه برای عملیات پهپاد، فضای مجاز هوایی، وزن و اندازه مجاز، ارتفاع مجاز، ملاحظات حریم خصوصی یا محرمانه، الزامات و ویژگی های ایمنی است. فقدان ناهمگونی قوانین دولتی برای اجرای پهپادها را می توان مشاهده کرد. پهپادها می توانند روی ناوبری هواپیماهای تجاری تأثیر بگذارند. بنابراین کشورها باید مقررات و قوانینی را برای عملکرد صحیح پهپادها اعمال کنند. به عنوان مثال، در ایالات متحده، FAA مسئول صدور گواهینامه ها و مقررات ترافیک هوایی برای پهپادها است. به طور مشابه، همکاری یا هماهنگی بین المللی نیز می تواند به معرفی قوانین جهانی کمک کند، زیرا کشورهای مختلف مقررات و استانداردهای متفاوتی دارند. به عنوان مثال، در حال حاضر، سه منطقه مختلف وجود دارد، مانند (الف) منطقه 1 شامل آفریقا، اروپا و بخشی از خاورمیانه، (ب) منطقه 2 شامل ایالات متحده، و (ج) منطقه 3 مبتنی بر آسیا و اقیانوس آرام، در محدوده فرکانس های مختلف برای عملیات پهپاد عمل می کند. به طور خلاصه، نگرانی‌های متعددی با مقررات پهپاد مرتبط است، مانند فرآیندهای قانونی مستند ضعیف و تأخیر در تأییدیه‌های پرواز که استفاده گسترده، در دسترس بودن و انعطاف‌پذیری این فناوری را محدود می‌کند. در این راستا، یک رویکرد قابل اجرا می‌تواند الگوریتم‌های هوش مصنوعی برای انطباق استاندارد باشد که از کاهش ریسک، افزایش امنیت داده‌های محرمانه و پاسخ سریع به الزامات استانداردسازی جدید پشتیبانی می‌کند. به این ترتیب، می‌توانیم پهپادهای مجهز به هوش مصنوعی را ببینیم که برای استفاده داخلی در کشورهای مختلف مجاز هستند و مقررات عملیاتی هر مکان جغرافیایی خاصی را رعایت می‌کنند.
• عملکرد روان و موفقیت آمیز پهپادها با استفاده از حسگرهای بی سیم قابل انجام است. به عنوان مثال، سیستم کنترل ترافیک هوشمند را می توان با نظارت و نظارت از سنسورهای بی سیم به دست آورد.
• محدوده انتقال محدود، قابلیت پردازش و سرعت آهسته‌تر نیز برخی از نگرانی‌های اصلی در پهپادها هستند که به مشارکت‌ها و تحقیقات بیشتری برای رشد این فناوری نیاز دارند.
• با توجه به محدودیت های مسیر پهپاد و محدودیت باتری، تخصیص منابع به یک نگرانی حیاتی تبدیل شده است. در سه جنبه مورد توجه قرار می گیرد: شناور پهپاد، محاسبات محلی و بارگذاری وظایف. بنابراین، طراحی برنامه ریزی دقیق مسیر می تواند در نتیجه هزینه عملیاتی و عملکرد محاسبه شده را به خطر بیاندازد. تخصیص کارآمد منابع می تواند انصاف، کاهش زمان تکمیل کار، کاهش هزینه، کاهش مصرف برق و حداکثر کردن راندمان محاسباتی را بهبود بخشد.
• سرعت برخی از پهپادها کمتر از خودروها و سایر وسایل نقلیه در بزرگراه است. راه حل ممکن برای غلبه بر این مشکل، اجازه دادن به پهپادها در ارتفاعات بالا توسط نهادهای نظارتی است. به این ترتیب، پهپادها می توانند میدان دید وسیعی داشته باشند که می تواند بر محدودیت سرعت غلبه کند.
• سرعت بالای برخی از پهپادها نیز یک مسئله حیاتی است. پهپادهایی که با سرعت بین 35 تا 70 کیلومتر در ساعت پرواز می کنند باید ویژگی اجتناب از مانع را برای جلوگیری از هرگونه برخورد احتمالی داشته باشند .
• یکی دیگر از موانع عملکرد عملیات پهپاد، محدودیت توان، مصرف انرژی یا عمر باتری محدود است. معمولا پهپادها با باتری کار می کنند و از عمر باتری کوتاهی رنج می برند که معمولاً کمتر از 1 ساعت است. باتری های پهپاد برای تجزیه و تحلیل تصویر، پردازش داده ها، ارتباطات بی سیم و شناور پهپاد مصرف می شوند. معمولا پهپادها باید در مناطق وسیعی سفر کنند و باید چندین بار به ایستگاه های شارژ برگردند. در عملیات SAR، پهپادها برای مدت زمان طولانی تری بر فراز مناطق آسیب دیده پرواز می کنند. با توجه به این محدودیت ها، باید تصمیم گرفت پهپادهای آب و هوا تجزیه و تحلیل تصویر یا داده ها را در زمان واقعی انجام دهند یا خیر. یکی از راه‌حل‌های ممکن، تشکیل گروه‌هایی از پهپادها از طریق الگوریتم‌های هماهنگی است که می‌تواند بر محدودیت‌های یک پهپاد از نظر بهره‌وری انرژی غلبه کند . روش‌های جالب دیگر، بررسی طرح‌های جدید برای ایستگاه‌های شارژ و روش‌های کارآمد WPT مانند انتقال توان لیزری (LPT) است. در، نصب آگاه از انرژی پهپادها با تکنیک شبکه های کم توان و تلفات (LLT) برای غلبه بر این مسائل پیشنهاد شده است.
• عملکرد کامل مستقل و ایمن ازدحام پهپادها بسیار مهم است زیرا مستعد خطای انسانی، خطای ماشینی و برخورد با موانع است. بنابراین، نیاز به ازدحام الگوریتم های هوشمند برای جلوگیری از برخورد وجود دارد. الگوریتم‌های کنترل تشکیل تعاونی برای جلوگیری از برخورد چند پهپاد پیشنهاد شده‌اند . این الگوریتم‌ها می‌توانند داده‌ها را از منابع مختلف مستقر شده مانند LIDAR، رادار، ژیروسکوپ، شتاب‌سنج، دوربین‌های دیجیتال، سنسورهای آب و هوا و مکان ترکیب کنند.
• در استفاده از پهپادها برای نظارت بر زیرساخت ها و ساخت و ساز مسائل متعددی مانند توانایی پردازش محدود، زمان کوتاه پرواز و انرژی محدود وجود دارد. یک شکاف تحقیقاتی در همکاری پهپادهای متعدد برای زیرساخت و بازرسی ساخت و ساز وجود دارد. همکاری پهپادهای متعدد می تواند تکمیل سریع پروژه، تحمل خطای بالا و دامنه بازرسی گسترده را تضمین کند.
• یکی دیگر از چالش‌های کلیدی، ظرفیت محدود پهپادهای سبک وزن است. این توانایی پهپادها را برای حمل بار روی برد مانند دوربین های دیجیتال، دید استریو و حرارتی، سنسورهای متعدد مانند دما، GPS و تشخیص دروازه و غیره محدود می کند. سنگین هستند..
• برخی از دوربین های مورد استفاده در پهپادها بسیار گران قیمت و وضوح پایین هستند. به عنوان مثال، اکثر دوربین های حرارتی دارای رزولوشن 640 پیکسل در 480 پیکسل هستند و قیمت آنها بین 2000 تا 5000 دلار است. علاوه بر این، تصویربرداری هوایی حرارتی از عوامل متعددی از جمله تشعشعات حرارتی ساطع شده/منعکس شده، فاصله تیراندازی و رطوبت اتمسفر رنج می برد.
• در شرایط نامساعد جوی مانند طوفان، باران و باد، استقرار پهپاد برای کاربردهای مختلف مانند کشاورزی دقیق به دلیل انحرافات ناخواسته در مسیرهای از پیش تعیین شده دشوار است. شرایط آب و هوایی همچنین بر زمان عملیات، ارتفاع مسیر، ارتفاع پهپاد و جهت پرواز تأثیر می گذارد. در شرایط بلایای طبیعی مانند طوفان، طوفان یا سونامی، شرایط جوی یک چالش اساسی برای ماموریت‌های پهپاد است. در این شرایط مضر، پهپادها نمی توانند شناور شوند و نمی توانند خوانش یا داده های دقیقی داشته باشند و نمی توانند در شرایط شدید عمل کنند. بنابراین، محققان باید مشخصات و قابلیت‌های پهپاد را برای مقاومت در برابر این شرایط نامساعد جوی بررسی کنند و بتوانند ماموریت‌های حساس به آب و هوا را به طور موثر و ایمن انجام دهند. به طور خاص، سرعت باد باید برای عملیات روان پهپاد در نظر گرفته شود و باید در طرح ماموریت استراتژیک و مرحله استقرار پهپاد مشارکت داشته باشد.
• به دلیل خسارات ناشی از پهپاد باید مسئولیت بیمه مناسبی وجود داشته باشد. گزارش‌های متعددی در رسانه‌ها صدمات بافت نرم، از دست دادن چشم و پارگی‌های شدید ناشی از تصادفات پهپاد را توصیف می‌کنند. علاوه بر خسارات مالی و صدمات ناشی از سقوط پهپاد، پهپاد همچنین باعث تصادف با هواپیما، مسئولیت کالاهای آسیب دیده و محموله های افتاده می شود. مسئولیت استفاده از پهپاد همچنین تهدیدی بزرگ برای حریم خصوصی افراد است.
• یکی دیگر از نگرانی های اصلی حفظ حریم خصوصی، استفاده از پهپادها است. پهپادها با دوربین‌ها یا تجهیزات دیگری که می‌توانند عکس‌برداری یا فیلم‌برداری کنند، گنجانده شده‌اند. که ممکن است منجر به نقض حریم خصوصی افراد شود. برای مقابله با این مشکل در ایالات متحده، مرکز دموکراسی و فناوری (CDT) به اداره هوانوردی فدرال (FAA) اطلاع داد تا مقررات خاصی را برای حفظ حریم خصوصی ایجاد کند. برای این منظور، Privacy by Design (PbD) معرفی شد که از جبران خسارت برای نقض حریم خصوصی   پشتیبانی می کند. مقررات PbD به طور مشخص نفوذ حریم خصوصی را محدود می کند. علاوه بر این، پروازهای مداوم پهپادها می تواند با افشای برنامه ها و اسرار استراتژیک تجاری برخی از شرکت ها به ارزش بازار آنها آسیب برساند.

محدودیت های مرحله فعلی استفاده از پهپاد

تصویر در اندازه کامل

در این بخش، مسائل مختلف امنیت سایبری در مورد پهپادها از جمله موارد زیر را مورد بحث قرار داده ایم:

• پهپادها عمدتاً از حملات ربایی، انکار سرویس (DoS) و حملات DoS توزیع شده به دلیل در دسترس نبودن استراتژی‌های مقاوم در برابر DoS/DDoS رنج می‌برند. جعل سیگنال از طریق ربودن هواپیما می تواند به رفتار برخی از پهپادها آسیب برساند. همانطور که در شکل 16 نشان داده شده است، حملات جعل سیگنال GPS به دلیل وارد کردن یا تزریق اطلاعات اشتباه از کانال های GPS توسط متخلف رخ می دهد  . در ربودن، کنترل کامل پهپاد را می توان با درج دستورات اضافی به سرقت برد. به طور مشابه، ربودن جلسه می تواند به لینک های ارتباطی پهپادها آسیب جدی وارد کند. علاوه بر این، حملات DoS چالش‌های جدی در دسترس بودن را تحمیل می‌کنند، زیرا مهاجم می‌تواند با ارسال درخواست‌های متعدد باعث ازدحام شبکه شود. حملات DoS به دلیل سرریز داده‌ها در لینک‌های ارتباطی رخ می‌دهد که باعث ایجاد وقفه، وارد کردن بار اضافی بر واحدهای پردازش و تخلیه باتری‌ها می‌شود. در DDos، مهاجم با ارسال ترافیک از چندین منبع برای معرفی مسائل غیرقابل دسترس، پهپاد را تحت تأثیر قرار می دهد. این حملات را می توان با سنجش، ردیابی اعوجاج سیگنال و احراز هویت بالا کاهش داد.
• الگوریتم‌های متقابل فعلی برای شبکه‌های پهپاد تک موجود است. بنابراین، نیاز به توسعه یا اصلاح الگوریتم‌های موجود برای چند پهپاد وجود دارد.
• به گفته شاختره و همکاران ، تخت‌های آزمایش شبیه‌سازی موجود بالغ نیستند. به طور مشابه، شبیه سازهای موجود برای تجزیه و تحلیل امنیتی تنها برای طراحی های نرم افزاری و سخت افزاری خاص مناسب هستند. بنابراین، نیاز به توسعه شبیه سازها و ابزارهای سفارشی وجود دارد.
• تجزیه و تحلیل های امنیتی موجود، تفاوت های نرم افزاری و سخت افزاری را برای انواع مختلف پهپادها نادیده می گیرد. در مقابل، برخی از حملات فقط در طراحی نرم افزاری یا سخت افزاری خاص رخ می دهند. در مقابل، تدابیر امنیتی برای هر پهپاد خاصی مناسب است و نمی توان آن را در سیستم های مختلف پهپاد پیاده سازی کرد. بنابراین، نیاز به طراحی اقدامات امنیتی یکپارچه وجود دارد که بتوان آن را برای همه پهپادها اجرا کرد.
• در میان تهدیدات امنیتی مختلف، تهدیدات GCS بسیار مضر هستند زیرا داده های حساس می توانند از طریق ابزارهای نرم افزاری و دستورات عملیاتی مخرب به بیرون درز کنند. یک GCS به خطر افتاده دستورات اشتباهی را از مهاجم دریافت می کند. این حملات معمولاً به دلیل ویروس ها، کلید نویس ها و بدافزارها رخ می دهد. راه‌حل‌های کاهش‌دهنده مانند احراز هویت GCS برای ایمن کردن داده‌های پهپاد برای افشای فرآیندها، نهادها و کاربران غیرمجاز مورد نیاز است. شکل  17 برخی از حملات GCS را نشان می دهد.
• در برخی از سناریوها، مهاجم می‌تواند با ارسال پیام‌های هشدار اشتباه، پهپادها را به اشتباه هدایت کند. می تواند باعث ترافیک شبکه شود. مهاجم می تواند خود را به عنوان یک کاربر قانونی برای دادن اطلاعات نادرست، دستورات اشتباه یا داده های فاسد برای کاهش قابل ملاحظه عملکرد پهپاد نشان دهد. این حملات به دلیل در دسترس نبودن استراتژی‌های احراز هویت رخ می‌دهند، زیرا هر دشمنی می‌تواند مانند یک کاربر قانونی وانمود کند که باعث تداخل در شبکه شود.
• در برخی موارد، مهاجمان می‌توانند اطلاعات برنامه‌ریزی مسیر پهپاد را بدزدند یا با استفاده از این داده‌ها، مسیرهای پهپاد را برای هرگونه فعالیت غیرقانونی رصد کنند. این تهدیدات می تواند پهپاد مهاجم را در اطراف پهپاد قانونی تحت تاثیر قرار دهد.
• استراق سمع یکی دیگر از نگرانی های اصلی است که به دلیل عدم وجود استراتژی های پیشگیرانه مانند رمزگذاری داده ها رخ می دهد. در چنین سناریویی، حریف می تواند به داده های پهپاد قانونی دسترسی داشته باشد. عدم انکار می تواند برای تقویت اقدامات امنیتی مورد استفاده قرار گیرد . در چنین مواردی، اطلاعات خاصی برای هر گونه تایید برای جلوگیری از نقض امنیت مورد نیاز است.
• عامل مهم دیگر یکپارچگی ماموریت پهپاد است که با دقت داده ها و انتقال بدون هیچ گونه تداخلی مرتبط است. اگر استراتژی‌های حفاظت از یکپارچگی وجود نداشته باشند، داده‌ها نامعتبر می‌شوند زیرا مهاجم می‌تواند به داده‌های اصلی آسیب برساند.
• در برخی از سناریوها، اجزای سخت افزاری پهپاد به دقت پاسخ نمی دهند و رفتار هدف خود را تغییر می دهند . چنین حملاتی برای ایجاد شکست در ماموریت پهپاد یا سرقت اطلاعات محرمانه انجام می شود.
• حمله مهم دیگر حمله کامپیوتری کنترل پرواز است که می تواند دستورالعمل ها یا پارامترهای ماموریت را تغییر دهد تا کنترل پرواز پهپاد را قطع کند. برای محافظت در برابر چنین حملاتی می توان از نرم افزار یا ابزار سخت افزاری روی برد استفاده کرد. ممکن است شامل تولید هشدار، تخمین کنترل کننده یا نظارت در زمان واقعی باشد تا در برابر هر گونه خطر احتمالی فوراً واکنش نشان دهد.
• در برخی موارد، مهاجم پهپاد را به اشتباه هدایت می‌کند که از طریق دستکاری مورد نظر در دستگاه‌های ناوبری درون‌برد، از پیروی از هر مسیر مورد نظر خودداری کند. به دلیل این حملات، پهپادها نمی توانند موقعیت و مکان دقیقی را در اختیار سیستم کنترل قرار دهند.
• توسعه مکانیسم های پیشرفته برای مبارزه با خطرات امنیتی در حال تکامل در برابر ارتباطات، زیرساخت و قابلیت اطمینان پهپاد بسیار حیاتی است. نگرانی اصلی امنیتی مربوط به پهپادهای مبتنی بر تحویل، ربودن است، جایی که مهاجم می تواند بار آن را بدزدد یا به آن آسیب برساند. در مورد پهپادهای مبتنی بر چند رسانه ای، سرگرمی یا تجاری، اختلال در انتقال آن می تواند به شدت بر عملکرد کل شبکه تأثیر بگذارد. در چنین سناریویی، احراز هویت پهپاد مورد نیاز است، که می تواند باعث تاخیر بیش از حد شود. برای مقابله با چالش‌های امنیتی مختلف، الگوریتم‌های ML پیشنهاد شده‌اند. امنیت لایه فیزیکی با قابلیت ML که برای کاهش تأثیر پهپادهای مخرب اتخاذ شده است . علاوه بر این، استراتژی‌های ضد پارازیت را می‌توان برای افزایش عملکرد امنیت لایه فیزیکی (PLS) در برابر پارازیت‌های احتمالی پیاده‌سازی کرد. در جدول 14 ، مسائل امنیتی در شبکه های پهپاد مبتنی بر ML را خلاصه کرده ایم.

حمله جعل جی پی اس

تصویر در اندازه کامل

حملات ایستگاه کنترل زمینی (GCS) با انگیزه منسفیلد و همکاران. 

تصویر در اندازه کامل

در این بخش، چندین جهت تحقیقاتی آینده را برای مشارکت بیشتر در تحقیقات پهپاد به شرح زیر ارائه می کنیم:

اگرچه طرح‌های هوش مصنوعی شامل استراتژی‌های یادگیری ماشین و شبکه‌های عصبی در پهپادها استفاده شده‌اند، اما استراتژی‌های یادگیری عمیق و یادگیری تقویتی هنوز به طور کامل پیاده‌سازی نشده‌اند . این به دلیل محدودیت های توان محدود و ابزارهای پردازش است. از این رو، محققان باید استراتژی های جدید مبتنی بر یادگیری عمیق را برای پهپادها، به ویژه برای ماموریت SAR پیدا کنند . این طرح‌ها می‌توانند از تصمیمات متنی و یادگیری بر اساس اطلاعات مسیر پشتیبانی کنند. اطلاعات جمع آوری شده می تواند برای اطمینان از خلبانی خودکار کارآمد پهپادها مورد استفاده قرار گیرد. از آنجایی که پهپادها از محدودیت‌های ذخیره‌سازی و انرژی رنج می‌برند، بنابراین، روش‌های سبک وزن و قابل حمل ML، DL، و RL را می‌توان برای مقابله با این محدودیت‌ها اتخاذ کرد. راه حل مبتنی بر AI/ML را می توان در طیف گسترده ای از سناریوها برای ارتباطات پهپاد پیاده سازی کرد همانطور که در شکل  18 نشان داده شده است .

• استراتژی‌های جدید برای برداشت انرژی پهپاد و مواد جدید برای باتری‌های پهپاد باید برای دستیابی به مأموریت‌های طولانی بررسی شوند . محققان باید باتری های سبک وزن و کارآمد جدیدی برای پشتیبانی از افزایش زمان پرواز پهپادها پیدا کنند. مطالعات آتی باید به کنترل کارآمد توان و مکانیسم مصرف انرژی برای پهپادها بپردازد.
• محققان باید بر روی یافتن الگوریتم‌های کم مصرف برای پردازش داده‌های پهپاد، به عنوان مثال، تصویربرداری هوایی، ویدئو و داده‌های سنجش در زمان واقعی تمرکز کنند. در نویسندگان یک روش شبکه عصبی کانولوشن برای کمک به عملیات جستجو و نجات بهمن از طریق تصاویر گرفته شده توسط پهپاد پیشنهاد کردند. به طور مشابه، الگوریتم‌هایی برای ازدحام پهپادها، بهینه‌سازی ازدحام  هماهنگی، اجتناب از برخورد و طرح‌های مسیر پهپادها نیز مورد نیاز است.
• پیش‌بینی می‌شود که با توسعه بیشتر پهپادها با استانداردسازی کارآمد، قوانین حفظ حریم خصوصی، الگوریتم‌های پردازش تصویر، سنسورهای کم‌هزینه، افزایش زمان پرواز و بار بزرگ‌تر، نیاز به یکپارچه‌سازی پهپادها در کاربردهای متنوعی مانند فنوتیپ کردن محصولات مزرعه وجود دارد .
• تکنیک‌های پردازش تصویر برای پهپادها با چندین مسئله حیاتی مانند تغییر جهت تصویر، همپوشانی‌های بالاتر، مقیاس‌های متغیر و ارتفاع‌های مختلف مواجه هستند. برادری پژوهشی باید در تحقیقات آینده به این چالش ها بپردازد.
• نیاز به پیشنهاد روش‌های بازرسی خطوط انتقال کارآمد و بلادرنگ از طریق پهپادها، مانند ابزارهای تجزیه و تحلیل داده‌ها، سکوهای مشارکتی، ردیابی قوی و ابزارهای تشخیص، بازرسی مبتنی بر دید و رویکردهای فتوگرامتری ارتفاع پایین پهپاد وجود دارد.
• محققان باید بر اجرای دستگاه‌های سنجش جدید، دوربین‌های ویژه، الگوریتم‌های تصمیم‌گیری چندگانه، تصاویر چند طیفی، همزیستی محاسبات لبه/مه  یا مکانیسم سنجش از راه دور و مکان‌یابی برای پشتیبانی از تشخیص کارآمد خاک، نقشه‌برداری وضعیت محصول و سایر ویژگی های کشاورزی .
• نیاز به پیشنهاد استراتژی های بیشتری برای سنجش، هدایت، ناوبری و محلی سازی وجود دارد. هر گونه مشکل در این تکنیک ها می تواند باعث شکست در دقت و تحویل به موقع بسته ها شود. بنابراین، محققان باید دستگاه‌های حسگر کم‌هزینه و کارآمد و سیستم‌های محلی‌سازی را بررسی کنند.
• مشارکت‌های تحقیقاتی بیشتری باید در جهت استفاده از پهپادها در شبکه‌های ایمنی عمومی انعطاف‌پذیر انجام شود. مطالعات آینده باید به ارتباطات ایمنی عمومی، سلامت عمومی در سناریو فاجعه، ادغام بلاک چین در پهپادها برای تقویت سیستم های نظارت بر سلامت بپردازد. در یک مطالعه اخیر ، نویسندگان به شبکه ایمنی عمومی با استفاده از پهپاد پرداختند.
• محققان باید کنترل تطبیقی ​​ و الگوریتم های همکاری را برای سیستم چند پهپاد بیابند. در عصر حاضر، هزاران پهپاد در هوا شبکه ای را برای انجام وظایف مختلف مانند نمایش نور پهپادها، تولید کد QR و طراحی لوگوی شرکت در هوا برای تبلیغات تشکیل می دهند. نیاز به یافتن مکانیسم های هماهنگی قوی برای پشتیبانی از چنین برنامه هایی وجود دارد.
• کارهای تحقیقاتی بیشتری باید برای ارزیابی اثرات نامطلوب جوی بر استحکام پهپاد انجام شود تا از اجرای موفقیت آمیز ماموریت اطمینان حاصل شود.
• تکنیک‌های فیلتر کردن داده‌ها باید در پهپادها تعبیه شوند تا از داده‌های اضافی، محدود کردن دسترسی‌های تکراری، غیرقانونی و مکان‌های نادرست جلوگیری شود. پهپاد را می توان با سطوح بازتابنده هوشمند نوظهور (IRS) ادغام کرد تا PLS سیستم پهپاد به کمک IRS را در سناریوهای مختلف تقویت کند و در عین حال پیچیدگی محاسباتی و عملکرد سیستم را حفظ کند .
• در آینده، پهپادها ممکن است از طریق انواع مختلفی از منابع انرژی مانند پیل سوختی، سلول خورشیدی و باتری‌ها برای طولانی‌تر کردن زمان پرواز و استقامت در ماموریت‌های مداوم شارژ شوند . با توجه به ویژگی منبع تغذیه هیبریدی، کنترل موثر ویژگی های شارژ پهپاد مهم است. علاوه بر این، پهپادها می توانند ترافیک و وظایف محاسباتی را به وسایل نقلیه زمینی مجاور تخلیه کنند تا در مصرف برق صرفه جویی کنند. بنابراین، زمان‌بندی مشترک منبع تغذیه هیبریدی، ارتباطات و محاسبات یک موضوع تحقیقاتی جالب برای مشارکت‌های بیشتر است.
• حافظه پنهان هوایی مجهز به پهپاد را می توان برای دستیابی به توان عملیاتی داده در برنامه های IoT استفاده کرد. در این زمینه، اندازه محتویات کش، فواصل متقابل کاربران و بهینه‌سازی پهپادها دغدغه اصلی برای اطمینان از امکان‌سنجی است.
• نیاز به پیاده‌سازی الگوریتم‌های امنیتی مانند بلاک چین در ازدحام پهپادها وجود دارد، یعنی قرار دادن توانایی محاسباتی و ظرفیت ذخیره‌سازی بیشتر در پهپادها. با این حال، می تواند زمان پرواز پهپاد را کاهش دهد و باعث تاخیر شود. از این رو، برای پیاده‌سازی الگوریتم‌های امنیتی با در نظر گرفتن ماهیت محدود بودن منابع پهپادها، تحقیقات بیشتری مورد نیاز است.
• برنامه ریزی مسیر مشارکتی برای تولید میعادگاه هوشمند و کاهش انرژی برای پهپادها بسیار مهم است. با توجه به محدودیت های جغرافیایی و توپولوژی شبکه بسیار پویا، نظارت هوشمندانه پرواز پهپاد بدون برخورد و در زمان واقعی به موضوعی حیاتی تبدیل شده است. برای غلبه بر چنین مسائلی برای برنامه ریزی مسیریابی توزیع شده و هوشمند، می توان از الگوریتم های تقویت عمیق از طریق یادگیری انتقال کارآمد و تسریع سرعت یادگیری استفاده کرد.
• مطالعات کنونی در مورد پهپادها عمدتاً بر روی سخت افزار قابل اعتماد یا یکپارچه سازی شخص ثالث استوار است که نقص آن می تواند به شدت به سیستم آسیب برساند. بنابراین، نیاز به پیشنهاد مکانیسم‌های بدون اعتماد برای جلوگیری از فعالیت غیرقانونی و ایجاد اعتماد برای پهپادها در یک محیط غیرقابل اعتماد وجود دارد. در این راستا، فناوری بلاک چین یک رویکرد مناسب برای تضمین امنیت است. با این حال، یک مانع بزرگ، توسعه سیستم بلاک چین قوی و سبک وزن برای مقاومت در برابر پراکندگی شبکه به دلیل منابع محدود و تحرک بالا پهپاد است. علاوه بر این، می تواند باعث ایجاد مشکل ادغام پیچیده شود و نیاز به آزمایش دقیق دارد. بنابراین، یک معماری بسیار اختصاصی که ویژگی‌های پهپادها و فناوری بلاک چین را یکپارچه کند، مورد نیاز است.
• برنامه‌های پهپاد موجود با کمک بلاک چین به شبکه‌های بلاک چین مجاز یا خصوصی نیاز دارند. این شبکه ها در مورد شبکه های چند پهپاد به شدت در برابر تهدیدات آسیب پذیر هستند. علاوه بر این، به دلیل افزایش تعداد حملات احتمالی مانند حملات مبتنی بر نظریه بازی، یادگیری ماشین (ML) و حملات مبتنی بر کوانتومی، ایمن سازی بلاک چین ضروری است. بنابراین، تلاش‌های تحقیقاتی برای ایمن‌تر، امن‌تر و غیرقابل تغییر کردن شبکه‌های بلاک چین خصوصی مورد نیاز است.
• مجموعه ای از مقررات و سیاست های جدید برای پهپادها باید معرفی و اجرا شود تا از عملکرد کارآمد، قابل اعتماد، ایمن و ایمن خودروها اطمینان حاصل شود. توسعه استانداردهای جدید یکی از دغدغه‌های اصلی است زیرا پهپادها باید با فناوری‌های کنونی سازگار باشند. به منظور مدیریت طیف EM و پهنای باند آن، برای پهپادها ضروری است که در پهنای باند و طیف فرکانس متراکم کار نکنند. همچنین حفظ دانش توافق نامه های نظارتی منتشر شده توسط ناتو برای پهپادها بسیار مهم است. این آیین نامه پروتکل های استاندارد داده و قالب های پیام را تعریف می کند. همچنین یک رابط استاندارد بین ائتلاف های زمینی و پهپادها را فعال می کند. علاوه بر این، پایگاه داده مشترک ائتلاف را نشان می دهد که به اشتراک گذاری داده ها بین منابع هوشمند اجازه می دهد. در ایالات متحده، اداره هوانوردی فدرال (FAA) گواهینامه خلبانی از راه دور را حتی برای اپراتورهای تجاری ارائه می دهد. پهپادهای تجاری باید از قوانین تعیین شده توسط FAA برای عملیات قابل اعتماد پیروی کنند. به عنوان مثال، پهپادهای تجاری باید وزنی معادل 55 پوند داشته باشند و برد عملیاتی آن‌ها در صورت وجود حریم هوایی کنترل نشده باید کمتر از 400 فوت از سطح زمین باشد، همانطور که در کلاس G نشان داده شده است. فضای هوایی کنترل شده همانطور که توسط کلاس C، D و E نشان داده شده است . پهپادهایی که برای عملیات عمومی مورد استفاده قرار می گیرند باید دارای گواهینامه صادر شده از FAA باشند، بدنه عملیاتی باید با تمام مقررات، قوانین، قوانین و فدرال هر منطقه، شهر، استان، ایالت و کشور خاص مطابقت داشته باشد.

راه حل های مبتنی بر AI/ML برای ارتباطات پهپاد

تصویر در اندازه کامل

از آنجایی که پهپادها توجه تحقیقاتی قابل توجهی را به خود جلب کرده‌اند، پتنت‌ها و مقالات علمی بیشتری منتشر می‌شوند. گسترش سریع تحقیق و توسعه پهپادها نتیجه این نوآوری ها است. علاوه بر این، تقاضا برای تحرک بالا، استقلال بیشتر و برد بیشتر پهپادها منجر به طراحی سیستم‌های جدید برای تعویض باتری، ایستگاه‌های اتصال و فرود دقیق شد. کاربرد اینها در حال حاضر برای تشخیص و پیشگیری از آتش سوزی، نظارت بر بلایا، کشاورزی دقیق، ارتباطات بی سیم، سنجش از راه دور، نظارت بر خط برق و کنترل ترافیک بزرگراه و غیره استفاده می شود. در این راستا، ما به طور جامع پیشرفت های در حال انجام پهپادها را بررسی می کنیم هم در بخش دانشگاهی و هم در بخش صنعتی. ما مشارکت‌های دانشگاهی مربوط به انواع پهپاد، طبقه‌بندی، استانداردسازی، ازدحام و روش‌های شارژ را بررسی می‌کنیم. علاوه بر این، این مطالعه علاقه به سرعت در حال گسترش محققان، مقامات دولتی و نهادهای تجاری را برای مهار و استفاده بیشتر از ویژگی‌های کامل این فناوری امیدوارکننده نشان می‌دهد. ما به طور خلاصه ویژگی های پهپاد مانند بار، ارتفاع، برد، سرعت و زمان پرواز را مورد بحث قرار می دهیم. علاوه بر این، سناریوهای کاربردی، چالش های بالقوه و مسائل امنیتی نیز مورد بررسی قرار می گیرند. در نهایت، جهت‌های تحقیقاتی آتی برای بهبود بیشتر کار تحقیقاتی مشخص می‌شون