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Software autônomo vai tirar o controle de voo do piloto para evitar colisão com o solo

Imagem ilustrativa: Honeywell / CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

O projeto Resilient Autonomy (Autonomia Resiliente) da Administração Nacional Aeronáutica e Espacial dos Estados Unidos, a NASA, está desenvolvendo um software autônomo para uso potencial em aeronaves, que vão desde a instalação na atual aviação geral até as futuras aeronaves autônomas.

O software deriva do Sistema Automático de Prevenção de Colisão de Solo (Auto GCAS), inicialmente desenvolvido pela NASA, que salvou a vida de 11 pilotos de caças F-16.

Trata-se de uma atividade de Demonstração de Tecnologia de Capacidade Conjunta em parceria com a Administração Federal de Aviação (FAA) e o Departamento de Defesa (DoD) dos Estados Unidos.

O sistema Auto GCAS, conforme se nota no vídeo acima, assume o controle de uma aeronave do piloto no último momento possível para evitar uma colisão com o solo iminente. Para esta atividade de transferência para o uso civil, a equipe modificou os algoritmos do F-16 GCAS e dos Sistemas Automáticos de Prevenção de Colisões e os reformulou para indicar uma funcionalidade aprimorada adequada para aeronaves não-caça.

Esta nova versão do software pode ser usada em aeronaves menores como os Cessnas e futuras aeronaves pilotadas remotamente ou autônomas.

A simulação, também apresentada no vídeo visto acima, mostra o iGCAS, ou GCAS aprimorado, que salva uma pequena aeronave de mergulhar em um desfiladeiro, na encosta de uma montanha ou no solo.

A versão completa do sistema em que a equipe está trabalhando abrange uma ampla faixa de autonomia e é chamada de Arquitetura de Autonomia Variável Expansível (EVAA), que acabará por incluir elementos mais autônomos para aumentar a segurança em uma variedade de aeronaves.

O Projeto

Os sistemas de aeronaves autônomas têm o potencial de salvar vidas, e o projeto de Autonomia Resiliente do Centro de Pesquisa de Voo Armstrong da NASA está na vanguarda do desenvolvimento. Esses sistemas de software avançados estão evitando colisões ar-solo em aeronaves pilotadas, e o projeto agora está se concentrando em desenvolvimentos para evitar que aeronaves colidam com outras aeronaves no ar.

O projeto é uma colaboração conjunta com a FAA e o Gabinete do Secretário de Defesa com vários serviços e comandos do DoD para criar uma nova tecnologia autônoma e informar as diretrizes de certificação da FAA.

A tarefa é testar a maturidade da tecnologia e informar os requisitos de aeronavegabilidade para permitir autonomia futura, como operações sem conexão em uma aeronave não-pilotada, ao mesmo tempo que fornece segurança automática aprimorada para aeronaves pilotadas modernas. O sistema que abrange essa ampla faixa de autonomia é a Arquitetura de Autonomia Variável Expansível (EVAA).
 
Mark Skoog, principal investigador do NASA Armstrong para autonomia, está liderando o projeto junto com a gerente de projeto Kia Miller e o engenheiro-chefe do projeto Nelson Brown. Skoog vem de mais de 35 anos de experiência com sistemas autônomos, incluindo o Sistema automático de prevenção de colisão de solo do F-16 (Auto GCAS), que salvou a vida de 10 pilotos e tem mais uma revisão pendente.

O sistema Auto GCAS assume o controle de uma aeronave do piloto no último momento possível para evitar uma colisão com o solo iminente. Para este projeto, a equipe aprimorou os algoritmos dos sistemas GCAS e ACAS do F-16 e reformulou a marca para indicar uma funcionalidade aprimorada.

O software EVAA prioriza a segurança humana sobre a prevenção de danos à propriedade, e a prevenção de danos é priorizada em relação à conclusão da missão, seguindo um conjunto de regras de comportamento programadas. Essas regras de comportamento permitem que a EVAA gerencie melhor a intenção da missão do voo enquanto sempre manobra dentro dos limites de desempenho aceitáveis ​​da aeronave, da mesma forma que um piloto administra um voo seguro.

O EVAA destina-se principalmente ao uso em veículos não pilotados e, em algumas circunstâncias, pode permitir danos ou destruição do UAS para evitar aeronaves pilotadas. O processo envolve monitores computadorizados separados, cada um focado em um aspecto da segurança.

“GCAS e ACAS são monitores separados dentro do EVAA e tivemos que remodelar cada um desses algoritmos para que fossem aplicáveis ​​a aeronaves diferentes do F-16”, disse Skoog. “Canalizamos esses monitores por meio de uma função central que chamamos de Bússola Moral, que dá o controle da aeronave à tarefa de maior consequência. A consequência é ditada por um conjunto de regras de comportamento, que definem quando a segurança deve prevalecer sobre a missão e quando a segurança do veículo deve ser comprometida para proteger a vida humana.”

O EVAA está se desenvolvendo em etapas, onde o software voará em várias manobras no simulador de voo:

– O processo começou com a fase somente leitura, onde os sensores necessários para a consciência situacional do EVAA foram conectados ao EVAA;

– A fase dois é onde o EVAA tem permissão para controlar a aeronave ativando manobras de piloto automático dentro do sistema de controle de voo da aeronave. Nesta fase, o piloto ou operador de controle de solo aciona um interruptor para dizer ao EVAA para iniciar uma das muitas manobras de evasão que o EVAA pode usar. Isso é chamado de fase do sistema de recuperação ativada pelo piloto (PARS).

No início de maio, o EVAA começou a voar com sucesso as manobras PARS no simulador. “O teste PARS é quando obtemos uma compreensão precisa da dinâmica da aeronave e do piloto automático. Isso é usado para construir modelos para prever quanto espaço as várias manobras de evasão exigirão para evitar o solo e outras aeronaves”, Disse Brown. “O iGCAS e o iACAS usarão esses modelos para entender quais manobras funcionarão melhor e quando precisam iniciar uma evasão.”;

– A fase três traz o iACAS e o iGCAS para o EVAA e o sistema começará a mostrar seu verdadeiro potencial. O EVAA reagirá a outras aeronaves e ao solo e a segurança que ele fornece torna-se tangível;

– A fase final, quatro, trará muitos monitores e sensores adicionais, como o sistema de pouso forçado, geo-delimitação, replanejamento de rota em voo e uma série de monitores de saúde do sistema.

Demonstração no Simulador X-Plane

Quando a Califórnia instituiu o pedido de estadia em casa para a COVID-19, o projeto estava se preparando para começar o teste de voo da fase PARS. Incapaz de conduzir o teste de voo, a equipe fez um pivô imediato para a simulação em casa para permitir o progresso no desenvolvimento do software.

Em vez de pessoalmente, a demonstração da simulação do iGCAS para EVAA no X-Plane, deita ao DoD e à FAA, foi exibida por meio do Microsoft Teams. O líder do software do projeto Ethan Williams voou a demonstração de seu computador em casa para mostrar as manobras e capacidades. O hardware EVAA completo foi acoplado ao simulador do X-Plane para exercitar os algoritmos do EVAA e para demonstrar o EVAA rodando no hardware de voo.

O piloto, neste caso, usou um joystick para voar e o EVAA interrompeu quando viu problemas de segurança. O simulador do X-Plane cria todos os sinais que normalmente viriam dos sensores da aeronave e iriam para o EVAA. O EVAA envia comandos para um piloto automático no X-Plane e então o sistema controla a aeronave.

“Nesse ambiente de teletrabalho, há uma pessoa nos controles, o que não seria nosso modo normal”, disse Skoog. “Eles estão tendo que não apenas pilotar a aeronave como um piloto, mas também exercer todas as funções de suporte de teste de voo que normalmente seriam distribuídas entre várias pessoas no solo.”

Informações do Centro de Pesquisa de Voo Armstrong da NASA

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