Vision-Based UAV Interception Using Dynamic Image-Based Visual Servoing, Multi-Objective Predictive Guidance, and Robust Soft Control Barrier Functions

في السماء، تواجه طائرة بدون طيار (درون) مجهزة بكاميرا تحدياً صعباً: يجب عليها اللحاق بطائرة أخرى بدون طيار تتحرك بشكل غير متوقع، وكل ذلك بينما تعاني الكاميرا من تأخير في الرؤية ناتج عن الوقت الذي تستغرقه معالجة الصور، فضلاً عن وجود قيود على مدى حدة دوران الطائرة نفسها. هذا هو مجال "التوجيه البصري" (visual servoing)، وهو أسلوب تستخدم فيه الآلة ما تراه مباشرة لتوجيه نفسها، بدلاً من الاعتماد على خريطة مثالية ومحسوبة مسبقاً للعالم. بالنسبة لطائرة بدون طيار تحاول اعتراض هدف ما، فإن المهمة تزداد تعقيداً بسبب حقيقة أن الكاميرا مثبتة بشكل صلب في الطائرة؛ فإذا انعطفت الطائرة بحدة للحاق بالهدف، فقد تتأرجح الكاميرا بسرعة كبيرة مما يؤدي إلى اختفاء الهدف من مجال الرؤية. علاوة على ذلك، فإن الصور التي تتلقاها الطائرة ليست حديثة تماماً؛ فهي دائماً قديمة قليلاً، وقد يغير الهدف سرعته أو اتجاهه بطرق لا تستطيع الطائرة التنبؤ بها. يتطلب حل هذا الأمر نظاماً يمكنه رؤية المستقبل، ووزن خيارات متعددة في آن واحد، واتخاذ قرارات في أجزاء من الثانية توازن بين السرعة، والسلامة، والسلاسة.

لقد طور باحثون في معهد التحكم والأتمتة في الإنتاج وتحسين التكنولوجيا نهجاً جديداً لهذه المشكلة، حيث ابتكروا نظاماً يسمح للطائرة بدون طيار باعتراض هدف يتناور، حتى عندما تكون البيانات البصرية مشوشة ومتأخرة. وبدلاً من محاولة إجبار الهدف على الاستقرار في مركز رؤية الكاميرا فوراً، وهو ما يؤدي غالباً إلى حركات مضطربة أو خروج الهدف من مجال الرؤية، يستخدم أسلوبهم "مراقباً تنبؤياً" (predictive observer) لتخمين مكان الهدف في اللحظة التالية. ثم يقوم النظام بتوليد مجموعة صغيرة من مسارات الطيران الممكنة، أو "المسارات المرشحة"، التي يمكن للطائرة اتباعها. ويتم تقييم كل مسار من هذه المسارات مقابل عدة أهداف في وقت واحد: مدى قرب الطائرة من الهدف، والوقت الذي سيستغرقه الاعتراض، وكمية الطاقة التي ستستهلكها الطائرة، وخطر فقدان الهدف داخل إطار الكاميرا.

لاختيار المسار الأفضل، لم يكتفِ الباحثون باختيار الخيار الوحيد الذي يبدو الأفضل نظرياً، بل استخدموا تقنية تسمى "دمج القيمة الدنيا الناعمة" (Soft-min fusion)، والتي تمزج الخيارات معاً لتكوين قرار سلس ومستمر. وهذا يمنع الطائرة من الارتداد ذهاباً وإياباً بين استراتيجيات مختلفة، وهي مشكلة شائعة عندما ينتقل النظام فجأة بين الخيارات. والنتي نتيجة لذلك، يتم إنشاء نقطة مرجعية ديناميكية تتحرك عبر مجال رؤية الكاميرا، وتوجه الطائرة نحو نقطة الاعتراض المتوقعة بدلاً من نقطة ثابتة في الصورة. وهذا يسمح للطائرة بتعديل مسارها بسلاسة مع تحرك الهدف، مما يعوض التأخير في بيانات الصورة من خلال توقع الحركة التالية للهدف.

ويعد "مرشح السلامة" (safety filter) القائم على مفهوم يُعرف باسم "دالة حاجز التحكم" (control barrier function) جزءاً حاسماً من هذا النظام. وببساطة، يعمل هذا كحارس يمنع الطائرة من تنفيذ أمر قد يتسبب في اختفاء الهدف من رؤية الكاميرا. ومع ذلك، ولأن الظروف في العالم الحقيقي فوضوية ولأن محركات الطائرة لها حدود فيزيائية، فإن القاعدة الصارمة التي تقول "لا تفقد الهدف أبداً" يمكن أن تجعل الرياضيات مستحيلة الحل. وللتعامل مع ذلك، قدم الباحثون نسخة "ناعمة" من قاعدة السلامة هذه؛ حيث تسمح للنظام بليّ قاعدة السلامة مؤقتاً إذا لزم الأمر بشدة للحفاظ على حركة الطائرة، مع معاقبة النظام على فعل ذلك. يضمن هذا استمرار الطائرة في محاولة اعتراض الهدف حتى عندما يكون الموقف ضيقاً للغاية، بدلاً من التجمد وعدم القدرة على الحركة بسبب عدم القدرة على إيجاد حل مثالي.

اختبر الباحثون طريقتهم في سلسلة من المحاكاة الحاسوبية تضمنت مائة سيناريو مختلف مع تباين في الرياح، والضجيج، وحركات الهدف. وقارنوا نظامهم الجديد بعدة أساليب موجودة، بما في ذلك التتبع البصري القياسي وأساليب تنبؤية أخرى. وأظهرت النتائج أن طريقتهم كانت فعالة للغاية؛ ففي عمليات المحاكاة، نجحت الطائرة في اعتراض الهدف في تسعين بالمائة من الحالات، وهي نسبة قريبة جداً من أفضل طريقة مرجعية أداءً. والأهم من ذلك، حقق النظام الجديد نتائج مذهلة بجهد أقل بكثير؛ حيث استهلكت الطائرة طاقة تحكم أقل بنسبة خمسة عشر بالمائة تقريباً، مما يعني أنها لم تضطر للعمل بقوة أكبر لتحقيق نفس عملية الالتقاط. كما قلل النظام من الخطأ في تتبع صورة الهدف بنسبة تقارب ستة وأربعين بالمائة، مما أبقى الهدف أكثر ثباتاً في مجال رؤية الكاميرا. كما انخفض الوقت المستغرق لإتمام عملية الاعتراض بأكثر من عشرين بالمائة مقارنة بالطريقة المرجعية، بشرط نجاح عملية الاعتراض.

ومع ذلك، كشفت الدراسة أيضاً عن مقايضة دقيقة؛ فبينما كانت الطريقة الجديدة أسرع وأكثر كفاءة، إلا أن معدل نجاحها كان أقل قليلاً من الطريقة المرجعية، حيث انخفض بنسبة ثلاثة نقاط مئوية. ويشير هذا إلى أنه من خلال إعطاء الأولوية للسرعة والسلاسة، قد تتخذ الطائرة أحياناً مخاطر كانت الطريقة الأكثر تحفظاً ستتجنبها. ووجد الباحثون أن متوسط المسافة بين الطائرة والهدف لحظة الاعتراض كان متطابقاً تقرياً لكلا الطريقتين، حيث بلغ ما يزيد قليلاً عن مترين في كلتا الحالتين. وهذا يشير إلى أنه بينما يعد النظام الجديد أكثر رشاقة وأقل إجهاداً لمحركات الطائرة، فإنه لا يضمن بالضرورة عملية التقاط مثالية في كل سيناريو قد تنجح فيه الطريقة القديمة.

تخلص الدراسة إلى أن هذا النهج يقدم وسيلة قوية لإدارة التوازن المعقد بين الرؤية، والتفكير، والعمل للطائرات بدون طيار ذاتية القيادة. ومن خلال الجمع بين المراقب التنبؤي، وعملية اتخاذ القرار متعددة الأهداف، ومرشح السلامة المرن، يمكن للنظام التعامل مع التأخيرات وعدم اليقين في الرؤية الواقعية. ويشير الباحثون إلى أنه بينما كانت عمليات المحاكاة ناجحة، فإن النظام يعتمد على تقريبات لجعل الحسابات سريعة بما يكفي للاستخدام في الوقت الفعلي. وسيتضمن العمل المستقبلي اختبار هذه الأفكار على أجهزة حقيقية واستكشاف كيفية أداء النظام مع نماذج فيزيائية أكثر تعقيداً للطائرة. وفي الوقت الحالي، تثبت النتائج أنه من الممكن توجيه طائرة بدون طيار نحو هدف متحرك بدقة وكفاءة عالية، حتى عندما تكون عيون الطائرة بطيئة والهدف مراوغاً.