ڈرون (بغیر پائلٹ کی فضائی گاڑی)

بغیر پائلٹ کے فضائی گاڑی (UAV)، جسے عام طور پر ڈرون کہا جاتا ہے، ایک طیارہ ہے جس میں کوئی انسانی پائلٹ، عملہ یا مسافر سوار نہیں ہوتے۔ ڈرونز UAVs اصل میں بیسویں صدی میں فوجی مشنوں کے لیے تیار کیے گئے تھے جو انسانوں کے لیے بھی "خطرناک" تھے اور اکیسویں صدی تک وہ زیادہ تر فوجیوں کے لیے ضروری اثاثہ بن چکے ہیں۔ جیسے جیسے کنٹرول ٹیکنالوجیز میں بہتری آئی اور لاگت میں کمی آئی، ان کا استعمال بہت سی غیر فوجی ایپلی کیشنز تک پھیل گیا۔ ان میں فضائی فوٹو گرافی، زراعتی استعمال، جنگلات میں لگنے والی آگ کی نگرانی، دریائوں کی نگرانی، ماحولیاتی نگرانی، پولیسنگ اور حفاظتی نگرانی، زیر تعمیر عماتوں کے بنیادی ڈھانچے کا معائنہ، اسمگلنگ پر قابو پانا، مصنوعات کی ترسیل، تفریح اور ڈرون ریسنگ شامل ہیں۔

البت سسٹمز کا ڈرون Hermes-45 ٹیک آف کر رہا ہے۔

نارتھروپ گرومن بیٹ جس میں EO/IR اور SAR سینسرز، لیزر رینج فائنڈرز، لیزر ڈیزائنرز، انفرا ریڈ کیمرے شامل ہیں۔

تجارتی اور تفریحی فضائی فوٹو گرافی کے لیے DJI Phantom quadcopter ڈرون

ایک جنرل ایٹمکس MQ-9 ریپر ، ایک شکاری قاتل نگرانی ڈرون

اگرچہ زیادہ تر بڑے فوجی ڈرونز UAVs فکسڈ ونگ ہوائی جہاز ہیں، روٹر کرافٹ ڈیزائن (یعنی، RUAVs) جیسے یہ MQ-8B فائر سکاؤٹ بھی استعمال ہوتے ہیں۔

ڈیزائن

UAV کی عمومی ساخت

ایک ہی قسم کے عملے والے اور بغیر عملے کے ہوائی جہازوں میں عام طور پر ایک جیسے اجزاء ہوتے ہیں۔ اہم مستثنیات کاک پٹ اور ماحولیاتی کنٹرول سسٹم یا لائف سپورٹ سسٹم ہیں۔ کچھ UAVs سامان (جیسے کیمرا) لے جاتے ہیں جن کا وزن ایک بالغ انسان سے کافی کم ہوتا ہے اور اس کے نتیجے میں، یہ کافی چھوٹا ہو سکتا ہے۔ اگرچہ یہ بھاری سامان بھی لے جا سکتے ہیں، لیکن یہ ہتھیاروں سے لیس ملٹری UAVs کے مقابلے میں ہلکے ہوتے ہیں جن کا موازنہ اسلحے سے ہوتا ہے۔

چھوٹے سویلین UAVs میں زندگی کے لیے کوئی اہم نظام نہیں ہوتا ہے اور اس طرح ہلکے لیکن کم مضبوط مواد اور شکلوں سے بنایا جا سکتا ہے اور کم مضبوطی سے ٹیسٹ شدہ الیکٹرانک کنٹرول سسٹم استعمال کر سکتے ہیں۔ چھوٹے UAVs کے لیے، کواڈ کاپٹر ڈیزائن مقبول بن گیا ہے، حالانکہ یہ ترتیب عملے والے ہوائی جہاز کے لیے شاذ و نادر ہی استعمال ہوتی ہے۔ خوردیت کا مطلب یہ ہے کہ کم طاقتور پروپلشن ٹیکنالوجیز استعمال کی جا سکتی ہیں جو عملے والے ہوائی جہاز کے لیے ممکن نہیں ہیں، جیسے چھوٹی الیکٹرک موٹرز اور بیٹریاں۔

UAVs کے لیے کنٹرول سسٹم اکثر عملے والے طیاروں سے مختلف ہوتا ہیں۔ ریموٹ انسانی کنٹرول کے لیے، کیمرا اور ویڈیو لنک تقریباً ہمیشہ کاک پٹ کی کھڑکیوں کی جگہ لے لیتے ہیں۔ ریڈیو سے منتقل شدہ ڈیجیٹل کمانڈز فزیکل کاک پٹ کنٹرولز کی جگہ لے لیتی ہیں۔ آٹو پائلٹ سافٹ ویئر کا استعمال عملے والے اور بغیر عملے والے دونوں طیاروں پر کیا جاتا ہے، جس میں مختلف قسم کے فیچرز لگے ہوتے ہیں۔

کمپیوٹر کنٹرول کا نظام

ایک فلائٹ کنٹرولر ملٹی روٹر UAVs کے لیے کلین فلائٹ CleanFlight یا بیس فلائٹ BaseFlight فرم ویئر پر چلتا ہے۔

UAV کمپیوٹنگ کی صلاحیت نے کمپیوٹنگ ٹیکنالوجی کی ترقی کی پیروی کی، جس کا آغاز اینالاگ کنٹرول سے ہوا اور مائکرو کنٹرولرز، پھر سسٹم آن اے چپ (SOC) اور سنگل بورڈ کمپیوٹرز (SBC) میں تبدیل ہوا۔

چھوٹے UAVs کے لیے سسٹم ہارڈویئر کو اکثر فلائٹ کنٹرولر (FC)، فلائٹ کنٹرولر بورڈ (FCB) یا آٹو پائلٹ کہا جاتا ہے۔ عام UAV-سسٹم کنٹرول ہارڈویئر میں عام طور پر ایک بنیادی مائکرو پروسیسر یا ایک ثانوی failsafe پروسیسر اور سینسر جیسے ایکسلرومیٹر، گائروسکوپ، میگنیٹومیٹر اور بیرومیٹر کو ایک ہی ماڈیول میں شامل کیا جاتا ہے۔

آرکیٹکچر

سینسرز

پوزیشن اور حرکت کے سینسر طیارے کی حالت کے بارے میں معلومات فراہم کرتے ہیں۔ بیرونی معاملات کے سینسر Exteroceptive sensors خارجی معلومات جیسے فاصلے کی پیمائش سے نمٹتے ہیں، جبکہ exproprioceptive سینسر اندرونی اور بیرونی حالتوں کو آپس میں جوڑتے ہیں۔

نان کوآپریٹو سینسر خود مختار طور پر اہداف کا پتہ لگانے کے قابل ہوتے ہیں اس لیے انھیں علیحدگی کی یقین دہانی اور تصادم سے بچنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔

آزادی کی ڈگری (DOF) سے مراد بورڈ پر موجود سینسر کی مقدار اور معیار دونوں ہیں: 6 DOF کا مطلب 3-axis gyroscopes اور accelerometers (ایک عام جڑواں پیمائشی یونٹ) – (IMU) اور DOF 9F سے مراد IMU مع ایک کمپاس ہے، 10 DOF میں ایک بیرومیٹر بھی ہوتا ہے جبکہ 11 DOF میں عام طور پر ایک GPS ریسیور بھی ہوتا ہے۔

نیویگیشن سینسر کے علاوہ، UAV (یا UAS) کو نگرانی کے آلات سے بھی لیس کیا جا سکتا ہے جیسے: RGB، ملٹی اسپیکٹرل، ہائپر اسپیکٹرل کیمرے یا LiDAR جو مخصوص پیمائش یا مشاہدات فراہم کرنے کی صلاحیت دیتے ہیں۔

ایکچیوٹرز

UAV ایکچیوٹرز میں ڈیجیٹل الیکٹرانک اسپیڈ کنٹرولرز (جو موٹرز کے RPM کو کنٹرول کرتے ہیں) شامل ہیں جو موٹروں/ انجنوں اور پروپیلرز سے منسلک ہوتے ہیں، سرووموٹرز (زیادہ تر ہوائی جہازوں اور ہیلی کاپٹروں کے لیے)، ہتھیار، پے لوڈ ایکچیوٹرز، ایل ای ڈی اور اسپیکر شامل ہیں۔

سافٹ ویئر

UAV پر چلنے والے سافٹ ویئر کو آٹو پائلٹ یا فلائٹ اسٹیک کہا جاتا ہے۔ فلائٹ اسٹیک کا مقصد مشن کو خود مختار طور پر یا ریموٹ کنٹرول ان پٹ کے ساتھ اڑانا ہے۔ ایک آٹو پائلٹ سینسرز سے ڈیٹا حاصل کرکے، آگے بڑھنے کے لیے موٹروں کو کنٹرول کرکے اور زمینی کنٹرول اور مشن کی منصوبہ بندی کے ساتھ رابطے کو آسان بنا کر یہ مقصد حاصل کرتا ہے۔

UAVs ریئل ٹائم سسٹم ہیں جن میں سینسر ڈیٹا کو تبدیل کرنے کے لیے ہائی فریکوئنسی کی ضرورت ہوتی ہے۔ نتیجے کے طور پر، UAVs اپنی کمپیوٹیشنل ضروریات کے لیے سنگل بورڈ کمپیوٹرز پر انحصار کرتے ہیں۔ اس طرح کے سنگل بورڈ کمپیوٹرز کی مثالوں میں Raspberry Pis اور Beagleboards وغیرہ شامل ہیں جو NavIO ،PXFMini، وغیرہ کے ساتھ شیلڈڈ یا شروع سے ڈیزائن کیے گئے جیسے NuttX، preemptive- RT Linux، Xenomai اور Orocos-Robot آپریٹنگ سسٹم یا DDS-ROS 2.0۔

فلائٹ اسٹیک کا جائزہ

تہ	ضروریات	آپریشنز	مثال
فرم ویئر	ٹائم۔کریٹیکل	مشین کوڈ سے لے کر پروسیسر پر عمل درآمد، میموری تک رسائی	ArduCopter-v1, PX4
مڈل ویئر	ٹائم۔کریٹیکل	فلائٹ کنٹرول، نیویگیشن، ریڈیو مینجمنٹ	پی ایکس 4، کلین فلائٹ، آرڈو پائلٹ
آپریٹنگ سسٹم	کمپیوٹر سے مربوط	نظری بہاؤ، رکاوٹ سے بچنا، SLAM، فیصلہ سازی۔	ROS، Nuttx، Linux کی تقسیم، Microsoft IOT

UAV سافٹ ویئر کی اوپن سورس نوعیت کی وجہ سے، انھیں مخصوص ایپلی کیشنز میں فٹ ہونے کے لیے اپنی مرضی کے مطابق بنایا جا سکتا ہے۔ مثال کے طور پر، Košice کی ٹیکنیکل یونیورسٹی کے محققین نے PX4 آٹو پائلٹ کے پہلے سے طے شدہ کنٹرول الگورتھم کو تبدیل کر دیا ہے۔ اس لچک اور باہمی تعاون کی وجہ سے اوپن سورس کے مختلف اسٹیکوں کی ایک بڑی تعداد پیدا ہوئی ہے، جن میں سے کچھ کو دوسروں سے فورک کیا گیا ہے، جیسے کہ کلین فلائٹ، جو بیس فلائٹ سے فورک کیا گیا ہے اور جس سے تین دوسرے اسٹیک بنائے گئے ہیں۔

لوپ کے اصول

ملٹی روٹر کے لیے عام فلائٹ کنٹرول لوپس

UAVs اوپن لوپ، کلوزڈ لوپ یا ہائبرڈ کنٹرول آرکیٹیکچرز کا استعمال کرتے ہیں۔

• کھلا لوپ۔ – یہ قسم سینسر ڈیٹا سے فیڈ بیک شامل کیے بغیر ایک مثبت کنٹرول سگنل (تیز، سست، بائیں، دائیں، اوپر، نیچے) فراہم کرتی ہے۔
• بند لوپ – اس قسم میں رویے کو ایڈجسٹ کرنے کے لیے سینسر کے تاثرات شامل کیے جاتے ہیں (ٹیل ونڈ کی عکاسی کرنے کے لیے رفتار کم کرنا، 300 فٹ کی اونچائی پر جانا)۔ پی آئی ڈی کنٹرولر عام ہے۔ بعض اوقات، فیڈ فارورڈ کو لگایا جاتا ہے، جس میں لوپ کو مزید بند کرنے کی ضرورت ہوتی ہے۔

مواصلات

UAVs ویڈیو اور دیگر ڈیٹا کے کنٹرول اور تبادلے کے لیے ریڈیو کا استعمال کرتے ہیں۔ ابتدائی UAVs میں صرف تنگ بینڈ کا اپ لنک ہوتا تھا۔ ڈاؤن لنکس بعد میں آئے۔ یہ دو جہتی تنگ بینڈ ریڈیو لنکس، ہوائی جہاز کے نظام کی حالت کے بارے میں کمانڈ اینڈ کنٹرول (C&C) اور ٹیلی میٹری ڈیٹا کو ریموٹ آپریٹر کے پاس لے جاتے ہیں۔

زیادہ تر جدید UAV ایپلی کیشنز میں، ویڈیو ٹرانسمیشن کی ضرورت ہوتی ہے۔ اس لیے C&C، ٹیلی میٹری اور ویڈیو ٹریفک کے لیے الگ الگ لنکس رکھنے کی بجائے، تمام قسم کے ڈیٹا کو لے جانے کے لیے ایک براڈ بینڈ لنک استعمال کیا جاتا ہے۔ یہ براڈ بینڈ لنکس سروس کی تکنیک کے معیار سے فائدہ اٹھا سکتے ہیں اور TCP/IP ٹریفک لے سکتے ہیں جسے انٹرنیٹ پر روٹ کیا جا سکتا ہے۔

آپریٹر کی طرف سے ریڈیو سگنل جاری کیا جا سکتا ہے:

• گراؤنڈ کنٹرول کے ذریعے - ایک انسان جو ریڈیو ٹرانسمیٹر /رسیور، اسمارٹ فون، ٹیبلیٹ، کمپیوٹر یا ملٹری گراؤنڈ کنٹرول اسٹیشن (GCS) کا اصل ذریعہ چلا رہا ہو۔
• ریموٹ نیٹ ورک نظام کے ذریعے، جیسے کچھ فوجی طاقتوں کے پاس سیٹلائٹ ڈوپلیکس ڈیٹا لنکس موجود ہیں۔ موبائل نیٹ ورکس پر ڈاؤن اسٹریم ڈیجیٹل ویڈیو بھی صارفین کی منڈیوں میں داخل ہو چکی ہے، جبکہ سیلولر میش اور LTE پر براہ راست UAV کنٹرول اپ لنک کا مظاہرہ کیا گیا ہے اور یہ ابھی زیر آزمائش ہیں۔
• کسی دوسرے ہوائی جہاز کے ذریعے، جو ریلے یا موبائل کنٹرول اسٹیشن کے طور پر کام کر رہا ہو۔ – ملٹری کی پائلٹ یا بغیر پائلٹ ٹیمنگ (MUM-T)۔

نیٹ ورکنگ کے جدید معیارات نے ڈرونز پر بھی اثر انداز ہوئے ہیں اور اس وجہ سے ان میں مزید بہتری بھی شامل ہے۔ 5G اسٹینڈرڈ نے انتہائی قابل اعتماد اور کم لیٹنسی کمیونیکیشنز کا استعمال کرتے ہوئے صارف کے ہوائی جہاز کی زیرک کو ایک ملی سیکنڈ 1ms تک کم کر دیا ہے۔

خود مختاری

UAV کی خود مختاری کی ڈگریاں

UAVs میں خود مختاری کی سطح وسیع پیمانے پر مختلف ہوتی ہے۔ UAV مینوفیکچررز اکثر بلٹ۔ان مخصوص خود مختار آپریشنز رکھتے ہیں، جیسے:

• سیلف لیول: پچ اور رول ایکسس پر رویہ کا استحکام۔
• اونچائی برقرار رکھنا: ہوائی جہاز بیرومیٹرک پریشر اور/یا GPS ڈیٹا کا استعمال کرتے ہوئے اپنی اونچائی کو برقرار رکھتا ہے۔
• ہوور/پوزیشن کنٹرول: GNSS یا inertial sensors کا استعمال کرتے ہوئے پوزیشن کو برقرار رکھتے ہوئے سطح کی پچ اور رول، مستحکم یاؤ ہیڈنگ اور اونچائی کو برقرار رکھنا۔
• ہیڈ لیس موڈ: گاڑی کے محور کے مقابلے میں پائلٹ کی پوزیشن کے مطابق پچ کنٹرول۔
• نگہداشت سے پاک: افقی طور پر حرکت کرتے ہوئے خودکار رول اور یاؤ کنٹرول
• ٹیک آف اور لینڈنگ (مختلف طیاروں یا زمین پر مبنی سینسرز اور سسٹمز کا استعمال کرتے ہوئے؛ " آٹولینڈ " بھی دیکھیں)
• فیل سیف: کنٹرول سگنل کے ضائع ہونے پر خودکار لینڈنگ یا واپسی
• واپسی: ٹیک آف کے مقام پر واپس پرواز کرنا (درخت یا عمارتوں جیسی ممکنہ رکاوٹوں سے بچنے کے لیے اونچائی حاصل کرنا)۔
• فالو می: جی این ایس ایس، امیج ریکگنیشن یا ہومنگ بیکن کا استعمال کرتے ہوئے حرکت پزیر پائلٹ یا کسی دوسری چیز کی نسبتی پوزیشن کو برقرار رکھنا۔
• جی پی ایس وے پوائنٹ نیویگیشن: سفری راستے پر درمیانی مقام پر جانے کے لیے جی این ایس ایس کا استعمال کرنا۔
• کسی شے کے گرد مدار میں چکر لگانا: فالو-می کی طرح لیکن مسلسل کسی ہدف کے گرد چکر لگانا۔
• پہلے سے پروگرام شدہ فضائی کرتب (جیسے رول اور لوپس)

خود مختار صلاحیتوں کی مقدار کا تعین کرنے کا ایک نقطہ نظر OODA اصطلاحات پر مبنی ہے، جیسا کہ 2002 کی یو ایس ایئر فورس ریسرچ لیبارٹری کی رپورٹ میں تجویز کیا گیا ہے اور دائیں طرف کی میز میں استعمال کیا گیا ہے۔

نارتھروپ گرومین X-47B بغیر پائلٹ کے مظاہرہ کرنے والا امریکی بحریہ کا ایک لڑاکا طیارے ایک ٹینکر طیارے سے دوران پرواز ایندھن لے رہا ہے۔

مکمل خود مختاری مخصوص کاموں کے لیے دستیاب ہے، جیسے ہوائی جہاز سے ایندھن بھرنا یا زمین پر مبنی بیٹری سوئچنگ کرنا۔

دستیاب یا زیر ترقی دیگر افعال میں شامل ہیں؛ اجتماعی پرواز، حقیقی وقت میں تصادم سے بچنا ، دیوار کے ساتھ چلنا، کوریڈور کے مرکز میں چلنا، بیک وقت لوکلائزیشن اور میپنگ اور سوارمنگ ، ادراکی ریڈیو اور مشین لرننگ ۔ اس تناظر میں، کمپیوٹر ویژن خود بخود پرواز کی حفاظت کو یقینی بنانے میں اہم کردار ادا کر سکتا ہے۔