En sverm av smarte samarbeidende droner

Begrepet dronesverm gir gjerne assosiasjoner til mange droner som flyr samla i flokk, såkalt massiv sverm. Noen av de tidligere arbeidene med dronesverm ved FFI handla også om å få mange droner i lufta , og mange arbeider på dronesverm generelt handler om å klare å fly så mange som mulig. Det åpenbare militære bruksområdet for en slik sverm er metningsangrep, der et stort antall droner brukes i et angrep for å øke sannsynligheten for at noen overlever eller treffer målene sine.

Ved FFI har arbeidet med dronesverm først og fremst handla om at et operatørteam skal kunne utnytte flere droner på en gang. Med flere droner er det mulig å avsøke et område raskere, følge med flere steder samtidig, se på interessante objekter fra flere høyder eller vinkler eller få mer nøyaktige måldata ved å bruke flere droner for å triangulere. Målet med dette arbeidet er ikke å bruke flest mulige droner, men å være i stand til å håndtere det antallet mobile sensorer som trengs for oppdraget.

Autonomifunksjonalitet gjør bruken av droner mer robust, effektivt og mindre resurskrevende

I dag har Forsvaret flere mindre droner i bruk som primært benyttes for å få bedre situasjonsforståelse. Fordelen er at disse kan sendes fremskutt og for å se der man ikke ser med andre sensorer. Et av disse systemene er dronen Puma. Dagens systemer er enkeltstående, fjernstyrte systemer som krever et operatørteam per drone. For Puma betyr det en person som styrer dronen og en person som følger med på videostrømmen fra dronen til enhver tid. Typisk har man ikke kapasitet til å utnytte mer enn en eller maks to slike droner i et område om gangen, noe som betyr at man må prioritere hvor man vil se.

I tillegg til å være personellintensive, krever dagens systemer meget god kommunikasjonslink hele tiden, gjerne videolink, og er avhengig av satellittbasert navigasjon eller detaljert fjernstyring. Krigen i Ukraina har vist at elektronisk krigføring er en stor utfordring for bruken av droner. Det er grunnen til at mange av dronene styres helt manuelt og at man til og med har begynt å bruke fiberoptisk kabel for å få jammesikker forbindelse til dronen .

Autonomifunksjonalitet kan redusere utfordringene med kommunikasjon og navigasjon og gjøre bruken av droner mindre ressurskrevende. Autonomi i denne betydningen handler altså ikke om at dronene nødvendigvis skal operere på egenhånd, men at de skal ha funksjonalitet som letter oppgaven til operatøren og gjør at operatøren først og fremst kan konsentrere seg om oppdraget som hvor hen ønsker å se eller hvilke objekter hen vil følge med på. Dette krever at dronen klarer å gjøre mye av detaljstyringen selv. Når dronen klarer å gjøre mer selv, blir også kommunikasjonen mindre tidskritisk, og med automatisk sensorprosessering vil den kunne sende viktig informasjon uten å måtte sende hele bilder eller videostrøm. Autonomifunksjonalitet kan dessuten brukes for å lage ulike løsninger for navigasjon som baserer seg på hva dronen ser med egne sensorer.

FFI har utvikla svermsystemet Valkyrie og eksperimenterer med Forsvaret

FFI har hatt en satsning på autonome systemer siden 2015. Hensikten med satsningen har vært å kraftsamle arbeidet med autonomi for ubemannede farkoster og utnytte synergier på tvers av domener og funksjoner. Svermsystemet Valkyrie blei i utgangspunktet utvikla for å eksperimentere med samarbeidsautonomi i denne satsningen, men utvikla seg raskt til noe som kunne ha potensiell operativ verdi i seg selv. De siste årene har vi jobba tett sammen med Forsvaret med å utvikle demosystemet videre og utforske mulighetene denne teknologien gir.

Valkyrie består av en operatørstasjon som er designa for å operere flere droner, tre ulike demonstratordroner og programvare for beslutningsautonomi og sensorprosessering som kjører om bord på farkostene. Den viktigste dronen i systemet er overvåkningsdronen Flamingo. Flamingo er en kvadrokopderdrone som er designa og bygd på FFI og første versjon blei demonstrert på landX i 2020 . Dagens versjon er vesentlig mer robust og brukervennlig og har kraftigere datamaskin. Den andre dronen i systemet er angrepsdronen Svale. Denne er raskere og mer agil enn Flamingo og blei utvikla for å eksperimentere med angrep mot andre droner og bakkemål. Siste tilskudd til Valkyrie-systemet er en såkalt hybrid «vertical take-off and landing» (VTOL) farkost med vinger. Droner med vinger er vesentlig mer energieffektive og vil derfor ha mye lenger rekkevidde enn et kvadrokopter, noe som er nødvendig i mange militære anvendelser. Alle dronene er demofarkoster og nye versjoner utvikles kontinuerlig etter hva FFI trenger for eksperimentering.

Dronene i FFIs svermsystem Valkyrie har beslutningsautonomi og sensorprosessering om bord som gjør at de ikke trenger å detaljstyres. Dronene kan dessuten samarbeide, slik at man kan gi en oppgave til en gruppe, for eksempel følge med på en veiakse, og så deler dronene automatisk veiaksen mellom seg avhengig av hvor mange som har oppgaven til enhver tid.

For at et operatørteam skal kunne utnytte flere droner på en gang, må dronene for det første kunne ta vare på seg selv og oppføre seg på en trygg måte og for det andre kunne gjøre noe nyttig relativt selvstendig. Dronene må for eksempel klare å unngå å kollidere i hverandre eller terrenget og følge med på batteristatus, men de må også kunne gjøre en nyttig oppgave så bra at operatøren kan stole på resultatet.

I fjor vinter gjennomførte FFI operatørkurs på Valkyrie med flere droneoperatører i Forsvaret, og disse har nå operert systemet på flere øvelser. Per i dag ser vi at operatørene ofte har én drone i fokus. Operatørene følger med videostrøm og styrer denne dronen ganske detaljert, tilsvarende som om de bare hadde hatt en drone. De andre dronene plasseres ut til å passe på ulike veikryss eller akser, og operatørene ber dronene si ifra om det dukker opp mulige interessante objekter. Hvis en drone sier ifra eller et annet område plutselig blir mer interessant, kan operatørene raskt bytte fokus.

Dronene har flere metoder for å detektere objekter, og de er også i stand til å følge interessante objekter relativt robust. Det gjør at når en operatør har verifisert at et objekt er av interesse, vil dronen fortsette å følge dette objektet og oppdatere posisjonen i kartet automatisk. Operatørgrensesnittet til Valkyrie har kobling til blant annet NorBMS, som gjør at posisjonen på interessante objekter kan oppdateres automatisk også her. Sammenstilling av informasjon av informasjon fra flere droner og andre sensorsystemer, er noe vi jobber kontinuerlig med. Automatisk sensorprosessering er minst like viktig for skalerbarhet som å kunne styre flere farkoster på en gang. Vi ser for oss at dronene gradvis vil klare flere og flere oppgaver med minimalt med oppmerksomhet fra operatøren, men erfaringene så langt har vist at det å ha flere droner har en verdi også når autonomifunksjonaliteten er minimal. Med flere droner kan man gjennomføre kontinuerlige operasjoner over lang tid ved at droner som nærmer seg tomme for batteri blir byttet ut med nye. På denne måten vil man kunne holde «eyes on target».

På sikt ser vi for oss at operatøren egentlig ikke trenger å velge hvilke droner som gjør hva, at droner som holder på å gå tom for batteri automatisk byttes ut og at systemet består av droner med ulike kapabiliteter. Automatisk oppgavefordeling hvor systemet selv finner ut hvordan løse oppgaven best mulig gitt resursene man har til enhver tid, er et meget spennende forskningsområde. Her kan vi også se for oss et hierarki av droner eller andre systemer som sender kommandoer til hverandre.

Det siste året har FFI jobbet med samarbeid mellom overvåkningsdroner og angrepsdroner. Overvåkningsdronene forteller angrepsdronene både hvordan målet ser ut og hvordan omgivelsene ser ut slik at angrepsdronene kan finne igjen målet og treffe uten nøyaktig posisjon. Tett samarbeid mellom sensor og effektor vil gjøre det mulig å treffe bevegelige mål og er ikke avhengig av satellittnavigasjon.

Målet er at Forsvaret raskt skal kunne utnytte forskningsresultatene

Det norske teknologisenskapet SIX Robotics skal industrialisere dronesvermteknologien FFI har utvikla. Målet er å ta demonstratorsystemet til et fullverdig operativt produkt og å få til et kontinuerlig trekantsamarbeid med FFI, Forsvaret og SIX for å akselerere utviklingen og sørge for at Forsvaret raskt kan da i bruk den nyeste forskningen. Intensjonen er at dette skal være en programvareløsning og et system som skal kunne integreres med ulike typer droner fra ulike leverandører.

Svermforskningen ved FFI har til nå konsentrert seg om relativt små farkoster. Disse er enkle og billige å eksperimentere med, noe som muliggjør raske iterasjonssykluser. Men vi mener teknologien også er relevant for større farkoster, og FFI leder en større arbeidspakka på koordinering og samarbeid mellom store droner i et prosjekt gjennom European Defence Agency (EDA). Her samarbeider FFI med store droneaktører i Europa og andre forskningsinstitutter om løsninger som også vil være relevant for de største dronene. Internt på FFI er det gode koblinger mellom kamflymiljøet og autonomimiljøet når forskning og ideutvikling for framtidige luftoperasjoner.

Hensikten med forskningen ved FFI er å levere resultater som reduserer risiko og kostnad i fremtidige anskaffelser. Gjennom forskning finner vi ut hva som er lett og hva som er vanskelig, og gjennom tett samarbeid med Forsvaret kan vi finne nye løsninger på reelle operative behov. Denne kunnskapen kan vi bruke i kravsetting i forbindelse med anskaffelser. Ved demonstrere muligheter og dele løsninger med industrien øker sannsynligheten for at industrien klarer å levere.

Autonome systemer generelt og droner spesielt har stort potensiale. Utviklingen både av plattformer og av kunstig intelligens har gått meget fort de siste åra, og sammen vil disse teknologiene gi helt nye muligheter. Vi trur framtiden er heterogene samarbeidende farkoster.