الطائرات ذاتية القيادة

يعود أول استخدام موثق لمركبة جوية بدون طيار في العمليات الحربية إلى يوليو 1849، ^{[ 1 ]} حيث كانت تُستخدم كحاملة بالونات (السلف لحاملات الطائرات ). ^{[ 2 ]} بدأ التطور الملحوظ للطائرات المسيّرة التي يتم التحكم فيها لاسلكيًا في أوائل القرن العشرين، وكان التركيز في البداية على توفير أهداف تدريبية للعسكريين. وكانت أول محاولة لإنتاج طائرة مسيّرة تعمل بمحرك هي "الهدف الجوي" الذي صممه إيه إم لو عام 1916. ^{[ 3 ]}

تم تطوير الميزات المستقلة مثل الطيار الآلي والملاحة الآلية تدريجياً خلال القرن العشرين، على الرغم من أن تقنيات مثل مطابقة محيط التضاريس (TERCOM) تم تطبيقها بشكل رئيسي على صواريخ كروز .

قبل ظهور طائرة بيرقدار كيزيليما، كانت بعض الطائرات المسيّرة الحديثة تتمتع بدرجة عالية من الاستقلالية، على الرغم من أنها لم تكن قادرة على ذلك بشكل كامل، كما أن البيئة التنظيمية تحظر استخدامها على نطاق واسع في الطيران المدني. ومع ذلك، فقد أُجريت بعض التجارب المحدودة. في 17 ديسمبر 2025، نفّذت طائرتان من طراز بيرقدار كيزيليما أول رحلة طيران ذاتية التشغيل بتشكيل متقارب في العالم، باستخدام الذكاء الاصطناعي . وكانت هذه المرة الأولى في تاريخ الطيران التي تحلق فيها طائرتان مسيّرتان بتشكيل متقارب بشكل مستقل. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

مع تطور أنظمة الطيران والملاحة والاتصالات، أصبح نقل الركاب بأمان خيارًا عمليًا. وتُخفف أنظمة الطيار الآلي من أعباء الطيار البشري تدريجيًا، لكن يبقى وجود الطيار ضروريًا في الوقت الراهن.

يجري تطوير عدد من سيارات الأجرة الجوية ، كما يجري التخطيط لمركبات نقل ذاتية القيادة أكبر حجماً. وتُعدّ المركبة الجوية الشخصية فئة أخرى لا يُتوقع فيها أن يكون بإمكان راكب واحد إلى أربعة ركاب قيادة الطائرة، وتُعتبر خاصية القيادة الذاتية ضرورية لانتشارها على نطاق واسع.

توفر أجهزة استشعار الموقع والحركة معلومات حول حالة الطائرة. وتتعامل أجهزة الاستشعار الخارجية مع المعلومات الخارجية مثل قياسات المسافة، بينما تربط أجهزة الاستشعار الذاتية بين الحالات الداخلية والخارجية. ^{[ 6 ]}

تشير درجات الحرية (DOF) إلى كل من كمية ونوعية أجهزة الاستشعار الموجودة على متن المركبة: 6 درجات حرية تعني وجود جيروسكوبات ثلاثية المحاور ومقاييس تسارع ( وحدة قياس بالقصور الذاتي نموذجية - IMU)، و9 درجات حرية تعني وجود وحدة قياس بالقصور الذاتي بالإضافة إلى بوصلة، و10 درجات حرية تضيف بارومتر، و11 درجة حرية تضيف عادةً جهاز استقبال GPS. ^{[ 7 ]} 

تشمل مشغلات الطائرات بدون طيار وحدات تحكم إلكترونية رقمية في السرعة (التي تتحكم في عدد دورات المحرك في الدقيقة) المرتبطة بالمحركات والمراوح، والمحركات المؤازرة ( للطائرات والمروحيات في الغالب)، والأسلحة، ومشغلات الحمولة، ومصابيح LED ومكبرات الصوت.

يُطلق على برنامج الطائرة بدون طيار اسم حزمة الطيران أو الطيار الآلي. وتتمثل وظيفة حزمة الطيران في الحصول على البيانات من أجهزة الاستشعار، والتحكم في المحركات لضمان استقرار الطائرة بدون طيار، وتسهيل الاتصالات مع مركز التحكم الأرضي وتخطيط المهمة. ^{[ 8 ]}

تُعدّ الطائرات المسيّرة أنظمةً تعمل في الوقت الفعلي، وتتطلب استجابةً سريعةً لبيانات المستشعرات المتغيرة. ولذلك، تعتمد هذه الطائرات على حواسيب أحادية اللوحة لتلبية احتياجاتها الحسابية. ومن أمثلة هذه الحواسيب: Raspberry Pi و Beagleboard وغيرها، سواءً كانت محميةً بتقنيات NavIO أو PXFMini ، أو مصممةً من الصفر مثل NuttX وPreemptive- RT Linux و Xenomai و Orocos-Robot Operating System و DDS-ROS 2.0 .

تتضمن حزم البرامج مفتوحة المصدر للاستخدام المدني ما يلي:

بفضل طبيعة برمجيات الطائرات بدون طيار مفتوحة المصدر، يمكن تخصيصها لتناسب تطبيقات محددة. على سبيل المثال، قام باحثون من جامعة كوشيتسه التقنية باستبدال خوارزمية التحكم الافتراضية لنظام الطيار الآلي PX4. ^{[ 9 ]} وقد أدت هذه المرونة والجهود التعاونية إلى ظهور عدد كبير من حزم البرامج مفتوحة المصدر المختلفة، بعضها مشتق من بعضها الآخر، مثل CleanFlight، المشتق من BaseFlight، والذي بدوره مشتق من ثلاث حزم برامج أخرى.

تستخدم الطائرات بدون طيار أنظمة تحكم ذات حلقة مفتوحة، أو حلقة مغلقة، أو أنظمة تحكم هجينة.

• الحلقة المفتوحة - يوفر هذا النوع إشارة تحكم إيجابية (أسرع، أبطأ، يسار، يمين، أعلى، أسفل) دون دمج التغذية الراجعة من بيانات المستشعر. 
• الحلقة المغلقة – يتضمن هذا النوع تغذية راجعة من المستشعرات لتعديل السلوك (تقليل السرعة لمراعاة تأثير الرياح الخلفية، والتحرك إلى ارتفاع 300 قدم). وحدة التحكم PID شائعة الاستخدام. في بعض الأحيان، تُستخدم التغذية الأمامية ، مما يقلل الحاجة إلى إغلاق الحلقة. ^{[ 10 ]} 

إحدى طرق تحقيق التحكم الذاتي هي استخدام طبقات متعددة من حلقات التحكم، كما هو الحال في أنظمة التحكم الهرمية . ففي عام 2016، كانت حلقات الطبقة الدنيا (أي حلقات التحكم في الطيران) تعمل بسرعة تصل إلى 32000 مرة في الثانية، بينما قد تعمل حلقات الطبقات العليا مرة واحدة في الثانية. ويكمن المبدأ في تقسيم سلوك الطائرة إلى "أجزاء" أو حالات يمكن التحكم بها، ذات انتقالات معروفة. وتتراوح أنواع أنظمة التحكم الهرمية من البرامج النصية البسيطة إلى آلات الحالة المحدودة ، وأشجار السلوك ، ومخططات المهام الهرمية . وتُعد وحدة التحكم PID آلية التحكم الأكثر شيوعًا في هذه الطبقات، والتي يمكن استخدامها لتحقيق التحليق الثابت للطائرة الرباعية المراوح باستخدام بيانات من وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) لحساب مدخلات دقيقة لوحدات التحكم الإلكترونية في السرعة والمحركات.

أمثلة على خوارزميات الطبقة الوسطى:

• تخطيط المسار: تحديد المسار الأمثل الذي يجب أن تتبعه المركبة مع مراعاة أهداف المهمة وقيودها، مثل العوائق أو متطلبات الوقود.
• توليد المسار ( تخطيط الحركة ): تحديد مناورات التحكم التي يجب اتخاذها من أجل اتباع مسار معين أو الانتقال من موقع إلى آخر ^{[ 21 ] [ 22 ]}
• تنظيم المسار: تقييد حركة المركبة ضمن هامش معين للمسار.

تستخدم مخططات المهام الهرمية المتطورة للطائرات بدون طيار أساليب مثل عمليات البحث في شجرة الحالة أو الخوارزميات الجينية . ^{[ 23 ]}

غالباً ما يقوم مصنعو الطائرات بدون طيار بتضمين عمليات تشغيل ذاتية محددة، مثل:

• التسوية الذاتية: تثبيت الوضعية على محوري الميل والدوران.
• تثبيت الارتفاع: تحافظ الطائرة على ارتفاعها باستخدام الضغط الجوي و/أو بيانات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).
• تثبيت الموقع/التحليق: الحفاظ على مستوى الميل والدوران، واتجاه الانعراج والارتفاع بشكل ثابت مع الحفاظ على الموقع باستخدام نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية أو أجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي.
• الوضع بدون رأس: التحكم في الميلان بالنسبة لموقع الطيار بدلاً من التحكم بالنسبة لمحاور المركبة.
• بدون عناء: تحكم تلقائي في الدوران والانعطاف أثناء الحركة الأفقية
• الإقلاع والهبوط (باستخدام مجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار والأنظمة الموجودة على متن الطائرات أو على الأرض؛ انظر أيضًا: الهبوط الآلي )
• نظام الأمان: الهبوط التلقائي أو العودة إلى نقطة الإقلاع عند فقدان إشارة التحكم
• العودة إلى المنزل: الطيران عائدًا إلى نقطة الإقلاع (غالبًا ما يتم اكتساب الارتفاع أولاً لتجنب العوائق المحتملة مثل الأشجار أو المباني).
• اتبعني: حافظ على موقعك النسبي بالنسبة لطيار متحرك أو جسم آخر باستخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GNSS) أو التعرف على الصور أو منارة التوجيه.
• الملاحة عبر نقاط الطريق باستخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS): استخدام نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) للتنقل إلى موقع وسيط على مسار السفر.
• الدوران حول جسم ما: يشبه خاصية "اتبعني" ولكنه يدور باستمرار حول هدف.
• حركات بهلوانية مبرمجة مسبقاً (مثل اللفات والحلقات).

تتوفر إمكانية التشغيل الذاتي الكامل لمهام محددة، مثل التزود بالوقود جواً ^{[ 24 ]} أو تبديل البطاريات على الأرض؛ لكن المهام ذات المستوى الأعلى تتطلب قدرات حاسوبية واستشعارية وتحكمية أكبر. يعتمد أحد أساليب قياس القدرات الذاتية على مصطلحات OODA ، كما اقترحها مختبر أبحاث القوات الجوية الأمريكية عام 2002 ، والمستخدمة في الجدول أدناه: ^{[ 25 ]}

لقد تم بالفعل تحقيق مستويات متوسطة من الاستقلالية، مثل الاستقلالية التفاعلية والمستويات العالية باستخدام الاستقلالية المعرفية، إلى حد ما، وهي مجالات بحث نشطة للغاية.

تعتمد الاستقلالية التفاعلية، مثل الطيران الجماعي، وتجنب الاصطدام في الوقت الحقيقي ، وتتبع الجدار، وتمركز الممر، على الاتصالات السلكية واللاسلكية والوعي الظرفي الذي توفره أجهزة الاستشعار عن بعد: التدفق البصري ، ^{[ 26 ]} أجهزة الليدار (الرادارات الضوئية)، والرادارات ، وأجهزة السونار .

تُحلل معظم أجهزة استشعار المدى الإشعاع الكهرومغناطيسي المنعكس عن البيئة والواصل إليها. أما الكاميرات (لرصد التدفق البصري) فتُستخدم كمستقبلات بسيطة. بينما تُصدر أجهزة الليدار والرادار والسونار (التي تستخدم الموجات الصوتية) موجات وتستقبلها، لقياس زمن انتقالها ذهابًا وإيابًا. ولا تتطلب كاميرات الطائرات بدون طيار طاقةً للبث، مما يُقلل من إجمالي استهلاك الطاقة.

تُستخدم أجهزة الرادار والسونار في الغالب للتطبيقات العسكرية.

لقد وصلت الاستقلالية التفاعلية في بعض أشكالها بالفعل إلى أسواق المستهلكين: وقد تصبح متاحة على نطاق واسع في أقل من عقد من الزمان. ^{[ 6 ]}

تجمع تقنية SLAM بين بيانات قياس المسافة والبيانات الخارجية لتمثيل العالم وموقع الطائرة بدون طيار فيه في ثلاثة أبعاد. لا تتطلب الملاحة الخارجية على ارتفاعات عالية مجالات رؤية رأسية واسعة، ويمكن الاعتماد على إحداثيات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) (مما يجعلها عملية رسم خرائط بسيطة وليست تقنية SLAM). ^{[ 27 ]}

هناك مجالان بحثيان مرتبطان هما التصوير المساحي الضوئي وتقنية الليدار، وخاصة في البيئات ثلاثية الأبعاد المنخفضة الارتفاع والداخلية.

• تم إثبات إمكانية استخدام تقنية التصوير الفوتوغرافي الداخلي وتقنية التصوير المجسم ثلاثي الأبعاد لتحديد الموقع والتخطيط المتزامن (SLAM) باستخدام الطائرات الرباعية المراوح. ^{[ 28 ]}
• أثبتت منصات الليدار، التي تعتمد على منصات ليزر تقليدية ثقيلة ومكلفة ومثبتة على محورين، فعاليتها. وتسعى الأبحاث إلى معالجة تكلفة الإنتاج، والتوسع من ثنائي الأبعاد إلى ثلاثي الأبعاد، ونسبة القدرة إلى المدى، والوزن، والأبعاد. ^{[ 29 ] [ 30 ]} وقد تم تسويق تطبيقات تحديد المدى باستخدام مصابيح LED لقدرات الاستشعار على مسافات قصيرة. وتبحث الأبحاث في التهجين بين انبعاث الضوء وقوة الحوسبة: مُعدِّلات الضوء المكانية ذات المصفوفة الطورية ، ^{[ 31 ] [ 32 ]} وليزر انبعاث السطح ذي التجويف الرأسي القابل للضبط بتقنية MEMS ذي الموجة المستمرة المعدلة التردد (FMCW ). ^{[ 33 ]}

يشير مصطلح "تجمع الروبوتات" إلى شبكات من العوامل القادرة على إعادة تشكيل نفسها ديناميكيًا عند دخول أو خروج عناصر جديدة من الشبكة. توفر هذه الشبكات مرونة أكبر من التعاون بين عدة عوامل. وقد يمهد التجمع الطريق لدمج البيانات. تستخدم بعض أسراب الطيران المستوحاة من الطبيعة سلوكيات التوجيه والتجمع.

قد يكون لتقنية الراديو المعرفي تطبيقات في مجال الطائرات بدون طيار. ^{[ 41 ]}

قد تستغل الطائرات بدون طيار الشبكات العصبية الموزعة . ^{[ 6 ]}