TFOA-UAV (2008) - Tolerancia al fallo en la operación de aviones no tripulados

Marco de financiación

El proyecto TFOA-UAV (Tolerancia al Fallo en la Operación Automática de aviones No Tripulados) se presentó a la convocatoria del plan Avanza, concebido para la realización de proyectos y acciones de la Acción Estratégica de Telecomunicaciones y Sociedad de la Información dentro del Plan Nacional de Investigación Científica, Desarrollo e Innovación Tecnológica 2008-2011.

El proyecto está alineado con las metas indicadas en la convocatoria de la ayuda:

"Situar a España en la vanguardia del conocimiento”; el proyecto pretende abordar tecnologías de sistemas informáticos colaborativos y de control autónomo para vehículos no tripulados cuyo contenido de novedad es enorme y permitirá posicionar a España entre los pocos países al mundo con tecnología tan sofisticadas y de enormes aplicaciones."

"Promover un tejido empresarial altamente competitivo”; el desarrollo objeto de este proyecto, tanto por su novedad como por los restantes requerimientos en términos de ingeniería del software y de integración hardware software, implica un desafío importantísimo que llevará el equipo de proyecto, y en consecuencia las entidades participantes, a un nivel de experiencia y capacidad que le pondrá al nivel tecnológico de pocas empresas a nivel mundial en este ámbito."

Plan Avanza 2 

Antecedentes y puesta en contexto

El proyecto TFOA-UAV se plantea para dar continuidad a la línea de I+D+i en la que el Grupo de Sistemas Dinámicos del Departamento de Matemática Aplicada y Estadística de las E.T.S.I. Aeronáuticos/E.U.I.T. Aeronáutica de la Universidad Politécnica de Madrid lleva trabajando desde el año 2002. Esta actividad investigadora tiene como fin último operar y comercializar sistemas aeronáuticos no tripulados, cumpliendo los requisitos de seguridad, los estándares de calidad y la reglamentación de control del tráfico aéreo aplicables. Para conseguir este objetivo, se han constituido consorcios con empresas con capacidad industrial a lo largo de estos años, de forma que se pudiese garantizar la transferencia tecnológica de las soluciones y productos obtenidos.

TFOA-UAV parte de la situación en la que se dispone de un grupo de aeronaves, sus sistemas de control de vuelo y de misión, la plataforma de desarrollo con la que implementar nuevos desarrollos de éstos, entornos de operación humanos basados en realidad virtual, reglas y protocolos de navegación y compartición colaborativa del espacio aéreo, y conocimientos y experiencia en la explotación de estos sistemas.

Sin embargo, y aunque los resultados de otros proyectos en los que ha participado el GISD proporcionan las condiciones adecuadas de operación de este tipo de sistemas embarcados con intervención humana basándose en realidad virtual, existen algunos aspectos en los que conviene trabajar para garantizar la seguridad exigible en el marco regulatorio de la explotación aeronáutica.

Estos aspectos que serán tratados en profundidad en el seno del proyecto tratan de cubrir los tres escenarios que pueden provocar el colapso de la seguridad en la operación del sistema. Estos son:

  1. La información con la que cuenta el operador humano se vuelve insuficiente para tomar las decisiones oportunas en una cierta parte del perfil de la misión,
  2. El operador humano se vuelve incapaz de tomar decisiones relativas al desempeño de la misión,
  3. El operador humano deja de recibir la información proporcionada por los sistemas embarcados y/o pierde la capacidad de comando del sistema.

El primer escenario puede materializarse cuando:

  • El operador debe atender simultáneamente a las necesidades de varias instancias de una red de UAVs
  • Fallan los sensores embarcados, parcial o totalmente.
  • El operador deja de comandar el sistema.
  • Los sensores embarcados dejan de ser los adecuados al perfil de la misión debido a un cambio en las condiciones ambientales de la misma.
  • Otra casuística que deje al operador humano sin soporte de información para la decisión.

El segundo escenario puede materializarse cuando:

  • El operador se encuentra indisponible por no estar en posesión de todas sus aptitudes físicas o emocionales
  • El operador se enfrenta a una situación demasiado compleja para su nivel de experiencia y rehúsa comandar el sistema.
  • El operador no está presente.
  • Otra casuística que impida que el operador humano actúe sobre el sistema.

El tercer escenario puede materializarse cuando:

  • Se interrumpe el radioenlace con la aeronave.
  • La calidad del radioenlace se deteriora haciendo que se pierda parte del tráfico de señales de control y de la información generada
  • Fallan los sistemas de fusión de sensores y/o de generación de realidad virtual.
  • Otra casuística que suponga la pérdida de capacidad para actuar sobre el sistema.

Objetivos del proyecto

Objetivos generales

Tomando en consideración la experiencia adquirida en la operación de los sistemas UAV de que dispone el equipo del proyecto, se plantea acometer la minimización de los efectos de la materialización de estos escenarios mediante el planteamiento de los dos objetivos generales siguientes:

  1. Investigar y desarrollar las tecnologías que permitan implementar Sistemas de  Automatización de Maniobras basados en el reconocimiento visual de formas, como por ejemplo procedimientos de aterrizaje automático, de regreso a un punto de control seguro o de mantenimiento del plan de vuelo predefinido, que faciliten al máximo la operación remota de redes de UAVs por parte de operadores no especializados, tomen el control de la aeronave bajo los supuestos de pérdida de capacidad de comandarla, o ejecuten de forma autónoma misiones críticas que de otra forma sería imposible abordar.
  2. Investigar y desarrollar las tecnologías que permitan garantizar la calidad del radioenlace entre la estación de tierra y las aeronaves controladas, aspecto que se ha determinado clave, gracias a la experiencia acumulada en anteriores proyectos como SOAR-UAV, a la hora de operar de forma segura las aeronaves no tripuladas en las fases más críticas del vuelo, como el aterrizaje ayudado por sistemas de Realidad Virtual y especialmente problemático para aplicaciones de teledetección y/o telecontrol a largas distancias.

Objetivos económicos

  1. Disminuir el impacto económico asociado a los accidentes de aeronaves no tripuladas debidos a la pérdida de su comando desde su estación de tierra.
  2. Disminuir el coste de producción de controladores de vuelo mediante el uso de soluciones de generación automática de código y pruebas en un 75%, al igual que en los proyectos anteriores que se beneficiaban de la infraestructura obtenida en PLATAFORMA-UAV

Objetivos tecnológicos

  1. Identificar todas las condiciones de vuelo en las que es necesario disponer de planes de operación autónoma como salvaguarda del comando del piloto.
  2. Identificar las condiciones de conmutación entre las condiciones de operación manual y automática, para poder implementarlas en los sistemas de control de vuelo y misión y anticiparse a las situaciones de pérdida de comando de la aeronave.
  3. Generar los correspondientes sistemas de operación autónoma en la plataforma de desarrollo de controladores embarcados obtenida en el seno del proyecto PLATAFORMA-UAV y validar los procesos implicados.
  4. Obtener la tecnología, y concretarla en sistemas explotables, que permitan mantener la calidad del radioenlace entre la estación de tierra y las aeronaves

Contenido y alcance del Proyecto. Resultados previsibles

Líneas de I+D+I a emprender

El Departamento de Matemática Aplicada y Estadística, adscrito a la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos de la Universidad Politécnica de Madrid comenzará, gracias al proyecto TFOA-UAV, las siguientes líneas de I+D+I:

  1. Sistemas de optimización de trayectorias para el seguimiento del perfil del terreno, recuperación en caso de parada de motor, reconfiguración autónoma de la trayectoria de descenso y aterrizaje en caso de condiciones de operación no estándar, basándose en tecnología de reconocimiento visual de formas.
  2. Aplicaciones avanzadas de control robusto para aeronaves no tripuladas, capaces de operar de forma segura en condiciones de desconexión con su estación de tierra

Adicionalmente, seguirán desarrollándose las líneas de I+D+I emprendidas gracias a proyectos anteriores:

  1. Aplicaciones avanzadas del Control Adaptativo a los Sistemas Automáticos de Control de Aeronaves no convencionales, autónomas, con fuerte acoplamiento multivariante, empuje vectorial, no linealidades, limitaciones del mando, fallos catastróficos en los actuadores, sistemas de sensorización y planta motriz, actuaciones degradadas, modificaciones aerodinámicas o estructurales no anticipables, etc.
  2. Integración de los Sistemas de Control Adaptativo con otras tecnologías como el Proceso Adaptativo de Señales, los Sistemas Inteligentes, las Redes Neuronales, los Controladores Expertos y en general los Sistemas de Control Híbridos.

PROINTEC establecerá las siguientes líneas de investigación

  1. Sistemas embarcados de bajo peso que proporcionen la calidad de señal de comando deseable para la correcta y segura operación de la aeronave y el enlace de datos que garantice la factibilidad de embarcar equipos para misiones de vigilancia y control aéreos.
  2. Sistemas de seguimiento de móviles aéreos que permitan mantener el radioenlace en cualquier condición de la operación de la aeronave.
  3. Sistemas de conmutación entre móviles aéreos que permitan gestionar y seguir varios blancos simultáneamente y conmutar el radioenlace entre ellos en función del correspondiente mapa de decisiones.

Ampliación del proyecto TFOA

Debido a consideraciones técnicas y comerciales, se propuso la modificación del proyecto, ampliando sus objetivos y alcance, su duración y el número de entidades participantes.

Justificación técnica de la ampliación del proyecto

La concepción del proyecto TFOA-UAV se basa en dos líneas generales de trabajo (subproyectos):

  1. Desarrollo de un enlace de radio de alta calidad para poder explotar la carga de misión, resolviendo todos los problemas que sus especificaciones plantean (de calidad, alcance, robustez, coste, etc.)
  2. Desarrollo de un sistema automático de ayuda al aterrizaje basado en el reconocimiento visual de formas en espectro visible (extrapolable al infrarrojo).

Una de las conclusiones de la actividad de investigación del segundo subproyecto es que, en condiciones meteorológicas adversas o luminosas degradadas, la falta de calidad de las imágenes tomadas pone en peligro la operación automática de la aeronave.

Para abordar este problema, el equipo de proyecto valoró diversas tecnologías y consideró que las imágenes radar pueden ser adecuadas al apoyo al reconocimiento visual del entorno.

Se contactó con el Departamento de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicaciones y se les planteó el problema. Su propuesta fue el desarrollo de un sistema radar de apertura sintética miniaturizado para poder ser embarcado en un UAV y que proporciones imágenes radar de alta resolución que puedan ser interpretadas por los algoritmos de reconocimiento del entorno desarrollados en el subproyecto 2 del proyecto TFOA-UAV.

Por tanto, se plantea el objetivo adicional: Desarrollar y adecuar para su embarque de un radar de apertura sintética en la banda milimétrica que proporcione imágenes de alta calidad insensibles a las condiciones meteorológicas y luminosas.

Para cumplir este objetivo, se amplia:

  1. El equipo de la Universidad Politécnica de Madrid con miembros del Departamento de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones y Radar de su Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Tele-comunicaciones;
  2. La duración del proyecto hasta diciembre de 2010, con paquetes de trabajo relacionados con el desarrollo del sistema radar y su integración en los sistemas desarrollados en TFOA-UAV.

Justificación comercial de la ampliación del proyecto

En línea con el creciente mercado potencial y real de los UAS’s (Unmanned Aerial System)’s, el equipo de proyecto de TFOA-UAV ha percibido el interés comercial que sus desarrollo despiertan en clientes, principalmente institucionales.

En particular, todos los desarrollos que permitan aumentar la seguridad de la operación autónoma de las aeronaves no tripuladas llaman extraordinariamente la atención, tanto en España como en el resto del Mundo, como dan muestra los contactos que inician con representantes de PROINTEC y de la UPM representantes de instituciones extranjeras –principalmente latinoamericanas- cuando les llega noticia de nuestros desarrollos.

Si bien es cierto que en el proyecto se desarrolla actividad de protección intelectual e industrial de la tecnología obtenida, se ha hecho patente que debe buscarse más activamente la orientación comercial del trabajo desarrollado. Por tanto se plantea este otro objetivo adicional:

  • Industrializar y comercializar los productos (sistema completo o desarrollos intermedios) obtenidos en el seno de este proyecto.

 Para cumplirlo, se amplía:

  • El consorcio, integrando una pequeña participación de la empresa UATec S.A., que es el vehículo comercial del Grupo Prointec para la comercialización de servicios y tecnologías soportadas sobre Sistemas Aéreos No Tripulados.