Arquitectura del modelo de referencia 4D-RCS

4D/RCS prescribe un principio de control jerárquico que descompone los comandos de alto nivel en acciones que emplean actuadores y sensores físicos. La figura, por ejemplo, muestra un diagrama de bloques de alto nivel de una arquitectura de modelo de referencia 4D/RCS para un batallón hipotético del Sistema de Combate del Futuro (FCS). Los comandos fluyen hacia abajo en la jerarquía, y la retroalimentación de estado y la información sensorial fluyen hacia arriba. Puede producirse una gran cantidad de comunicación entre nodos del mismo nivel, particularmente dentro del mismo subárbol del árbol de comandos: ^{[ 5 ]}

• A nivel de servomotor  : Las órdenes a los grupos de actuadores se descomponen en señales de control para cada actuador individual.
• En el nivel primitivo  : se coordinan múltiples grupos de actuadores y se tienen en cuenta las interacciones dinámicas entre ellos.
• A nivel de subsistema  : Todos los componentes dentro de un subsistema completo están coordinados, y la planificación tiene en cuenta aspectos como la evitación de obstáculos y el control de la mirada.
• A nivel del vehículo  : Todos los subsistemas dentro de un vehículo completo están coordinados para generar comportamientos tácticos.
• A nivel de sección  : Se coordinan varios vehículos para generar comportamientos tácticos conjuntos.
• A nivel de pelotón  : Varias secciones que contienen un total de 10 o más vehículos de diferentes tipos se coordinan para generar tácticas de pelotón.
• A nivel de compañía  : Se coordinan varios pelotones, compuestos en total por 40 o más vehículos de diferentes tipos, para generar tácticas de compañía.
• A nivel de batallón  : Varias compañías, que contienen un total de 160 o más vehículos de diferentes tipos, se coordinan para generar tácticas de batallón.

En todos los niveles, las órdenes de tarea se descomponen en trabajos para las unidades de nivel inferior y se generan cronogramas coordinados para los subordinados. En todos los niveles, la comunicación entre pares permite acciones coordinadas. En todos los niveles, la retroalimentación de los niveles inferiores se utiliza para rotar las subtareas y compensar las desviaciones de las situaciones planificadas. ^{[ 5 ]}

En el centro del bucle de control a través de cada nodo se encuentra el modelo del mundo, que proporciona al nodo un modelo interno del mundo externo. El modelo del mundo proporciona un sitio para la fusión de datos , actúa como un amortiguador entre la percepción y el comportamiento, y apoya tanto el procesamiento sensorial como la generación de comportamiento. ^{[ 2 ]} En la figura se muestra un diagrama de alto nivel de la estructura interna del modelo del mundo y el sistema de juicio de valor. Dentro de la base de datos de conocimiento, la información icónica (imágenes y mapas) está vinculada entre sí y con la información simbólica (entidades y eventos). Las situaciones y relaciones entre entidades, eventos, imágenes y mapas están representadas por punteros. Los punteros que vinculan estructuras de datos simbólicas entre sí forman redes sintácticas, semánticas, causales y situacionales. Los punteros que vinculan estructuras de datos simbólicas con regiones en imágenes y mapas proporcionan una base simbólica y permiten que el modelo del mundo proyecte su comprensión de la realidad en el mundo físico. ^{[ 2 ]}

El procesamiento sensorial realiza las funciones de segmentación, agrupación, cálculo, estimación y clasificación sobre la información proveniente de los sensores. El modelado del mundo mantiene el conocimiento en forma de imágenes, mapas, entidades y eventos con estados, atributos y valores. Las relaciones entre imágenes, mapas, entidades y eventos se definen mediante punteros. Estas relaciones incluyen la pertenencia a clases, ontologías, situaciones y herencia. El juicio de valor proporciona criterios para la toma de decisiones. La generación de comportamiento es responsable de la planificación y ejecución de los comportamientos. ^{[ 5 ]}

Los nodos 4D/RCS tienen una estructura interna como se muestra en la figura. Dentro de cada nodo normalmente hay cuatro elementos o procesos funcionales: ^{[ 5 ]}

1. generación de comportamiento,
2. modelado mundial,
3. procesamiento sensorial y
4. juicio de valor.

También existe una base de datos de conocimiento que representa la mejor estimación que tiene el nodo sobre el estado del mundo, dentro del rango y la resolución adecuados para las decisiones de comportamiento que son responsabilidad de ese nodo.

Estos procesos se apoyan en una base de datos de conocimiento y un sistema de comunicación que interconecta los procesos funcionales con dicha base de datos. Cada elemento funcional del nodo puede tener una interfaz de operador. Las conexiones a la interfaz de operador permiten al operador humano introducir comandos, anular o modificar el comportamiento del sistema, realizar diversos tipos de teleoperación , cambiar los modos de control (p. ej., automático, teleoperación, paso a paso, pausa) y observar los valores de las variables de estado, imágenes, mapas y atributos de las entidades. La interfaz de operador también puede utilizarse para la programación, la depuración y el mantenimiento. ^{[ 5 ]}

La figura muestra una jerarquía computacional de los primeros cinco niveles de la cadena de mando que contiene el Subsistema de Movilidad Autónoma en la arquitectura 4D/RCS desarrollada para la Demo III. A la derecha de la figura, la Generación de Comportamiento (compuesta por el Planificador y el Ejecutor) descompone los comandos de misión de alto nivel en acciones de bajo nivel. El texto dentro del Planificador en cada nivel indica el horizonte de planificación en ese nivel. ^{[ 5 ]}

En el centro de la figura, cada mapa tiene un rango y una resolución adecuados para la planificación de rutas en su nivel. En cada nivel, hay estructuras de datos simbólicas e imágenes segmentadas con regiones etiquetadas que describen entidades, eventos y situaciones relevantes para las decisiones que deben tomarse en ese nivel. A la izquierda se encuentra una jerarquía de procesamiento sensorial que extrae información del flujo de datos sensoriales necesaria para mantener actualizada y precisa la base de datos de conocimiento del modelo del mundo. ^{[ 5 ]}

El nivel inferior (Servo) no tiene representación cartográfica. El nivel Servo gestiona la dinámica de los actuadores y reacciona a la retroalimentación sensorial de los sensores de los actuadores. El mapa del nivel Primitivo tiene un alcance de 5 m con una resolución de 4  cm. Esto permite al vehículo realizar pequeñas correcciones de trayectoria para evitar baches y surcos durante el horizonte de planificación de 500 ms del nivel Primitivo. El nivel Primitivo también utiliza datos del acelerómetro para controlar la dinámica del vehículo y prevenir vuelcos durante la conducción a alta velocidad. ^{[ 5 ]}

En todos los niveles, los planificadores 4D/RCS están diseñados para generar nuevos planes mucho antes de que los planes actuales queden obsoletos. De este modo, la acción siempre se desarrolla en el contexto de un plan reciente, y la retroalimentación a través de los ejecutores cierra los bucles de control reactivos utilizando parámetros de control seleccionados recientemente. Para satisfacer las exigencias de entornos de campo de batalla dinámicos, la arquitectura 4D/RCS especifica que la replanificación debe producirse dentro de aproximadamente una décima parte del horizonte de planificación en cada nivel. ^{[ 5 ]}

El procesamiento sensorial y la generación de comportamiento son procesos jerárquicos, ambos integrados en los nodos que conforman la jerarquía organizativa 4D/RCS. Sin embargo, las jerarquías SP y BG son de naturaleza muy diferente y no están directamente acopladas. La generación de comportamiento es una jerarquía basada en la descomposición de tareas y su asignación a unidades operativas. El procesamiento sensorial es una jerarquía basada en la agrupación de señales y píxeles en entidades y eventos. En 4D/RCS, las jerarquías de procesamiento sensorial y generación de comportamiento están separadas por una jerarquía de procesos de modelado del mundo. La jerarquía WM proporciona un búfer entre las jerarquías SP y BG con interfaces para ambas. ^{[ 5 ]}