Quando Jeff Bezos apresentou sua visão de drones entregando pacotes para clientes da Amazon durante um segmento de 60 minutos no final de 2013, ele pegou muitas pessoas como ficção científica.
Dificilmente dois anos depois, drones estão prestes a se tornar uma tecnologia não apenas para entregar pacotes, mas o monitoramento agricultura, reunindo notícias em ambientes urbanos e até mesmo a realização de missões de busca e salvamento.
Mas antes zangão aviação pode se tornar onipresente, uma nova infra-estrutura devem ser desenvolvidas para definir caminhos de baixa altitude de vôo, regular o tráfego em áreas congestionadas e evitar colisões.
Nesta frente, o Laboratório de Sistemas Inteligentes de Stanford (SISL) é parte de uma ampla parceria liderada pela NASA Ames para criar um sistema de tráfego aéreo não tripulado sistema de gestão, ou UTM, para gerenciar o aumento esperado em voos não tripulados.
"UTM destina-se a cumprir um monte de as funções de controle de tráfego aéreo, mas vai ser na nuvem e em grande parte automatizado", disse SISL Director Mykel Kochenderfer, um professor assistente de aeronáutica e astronáutica.
NASA prevê que o sistema UTM irá ser capaz de suportar a orquestração de um grande número de operações de drones sem operadores de controlo de tráfego aéreo de controlo a cada veículo no ar. Um atributo-chave deste sistema envolverá automatizado evitar conflitos - software que pode alertar vários drones quando uma colisão é possível, e calcular as manobras necessárias para evitá-lo.
Kochenderfer coauthored recentemente um novo papel com o estudante de engenharia mecânica Hao Yi Ong em que detalhe um algoritmo de prevenção de conflitos que, quando implementadas dentro do sistema UTM, irá minimizar a ameaça de baixa altitude, as colisões não tripulados.
Ong diz o grande número projetado de drones tornaria impraticável para replicar o sistema de controlo do tráfego aéreo operado humano para regular voos de drones.
Hoje, o Federal Aviation Administration tem 15.000 controladores humanos para gerir cerca de 87.000 voos impulsionado-piloto por dia.
Projeções de drones da Amazon sozinho poderia anão esses números. Ong tem conservadoramente estimam que cerca de 40 milhões de assinantes da Amazon Prime poderia gerar 130.000 entregas de drones por dia comercial normal. E isso é antes de contabilizar as dezenas de outras empresas, incluindo Google e Matternet que também estão desenvolvendo operações com drones comerciais.
"Você não vai contratar mais 30.000 pessoas apenas para lidar com o tráfego de drones", disse Ong. "Simplesmente não é viável."
Evitando conflito
NASA prevê que o, em grande parte autônoma do sistema UTM baseada em nuvem vai rolar para fora em uma série de quatro constrói com capacidades crescentes. A primeira compilação, que foi lançado em agosto, centra-se em grande parte de geo-esgrima - corredores baseados em GPS para voos com drones - para manter a segurança e eficiência.
"Isso funciona para aplicações agrícolas", disse Ong. "Mas uma vez que você quiser começar a se mover drones transporte em redor de áreas urbanas, você não pode realmente fazer isso, porque você não está indo para bloquear o espaço aéreo sobre áreas residenciais inteiras apenas para quando o seu avião está voando em frente".
A equipe de Stanford acredita que evitar conflitos automatizado é a melhor forma de permitir uma maior densidade de vôos em áreas populosas. Mas automatizar prevenção de conflitos para lidar com o volume de tráfego zangão vai exigir novos algoritmos para prever e evitar possíveis colisões.
Anteriormente, quando Kochenderfer trabalhou no Laboratório Lincoln do MIT, desenvolveu uma nova abordagem para a prevenção de colisões que está sendo incorporado a um sistema de última geração para aviões tripulados, chamado de ACAS X, que pode servir como o alicerce para um tal protocolo. O sistema emprega um processo conhecido como programação dinâmica para descobrir estratégias ótimas anticolisão. Em ACAS X, o software alerta os operadores humanos de potencial risco e recomenda uma manobra para evitar a colisão. O resultado foi um sistema que melhora significativamente a segurança ao diminuir o número de alertas desnecessários.
"A FAA estava muito feliz com o resultado e apoiou um maior desenvolvimento", disse Kochenderfer. Na verdade, o sistema ACAS X está actualmente a ser desenvolvido pela FAA e da comunidade internacional de segurança.
Batendo 'a maldição da dimensionalidade "
Ong adaptado algumas das técnicas de ACAS X e aplicou-as para o desenvolvimento de um sistema de prevenção de conflitos automatizado para aeronaves não tripuladas. Mas a densidade esperada de voos com drones criado um nível inteiramente novo de complexidade para a equipe SISL.
"Na aviação tradicional, os conflitos entre mais de duas aeronaves são bastante raro", disse Ong.
Mas, na confinados, espaços aéreos urbanos, os conflitos poderiam facilmente envolver três ou mais drones. Por exemplo, considere vários pacotes que estão sendo entregues para o mesmo endereço. Ou imagine uma chama que atrai vários drones do corpo de bombeiros, a polícia ea mídia locais.
"Como o número de aeronaves cresce, o problema torna-se evitar exponencialmente mais complicada, um desafio que os matemáticos chamam a maldição da dimensionalidade", disse Ong. "Portanto, temos de chegar a formas melhores do que apenas força bruta procura e interar todas as soluções possíveis."
Para vencer a maldição, arquitetura de computação em nuvem da Ong separa multi-aviões conflitos em problemas emparelhados. Ele rapidamente se escolhe a melhor ação para cada par de drones de uma tabela prevendo trajetória de vôo de cada zangão. O servidor, em seguida, coordena cada uma destas soluções em pares e emite uma colisão despacho conjunto evitar a todos os drones afetadas.
Em questão de milésimos de segundo, uma dúzia de drones entregando pacotes de Véspera de Natal vai saber exatamente o que manobras de tomar para garantir que cada goza de uma trajetória de vôo segura para baixo um aglomerado cul-de-sac.
Para testar essa abordagem, os pesquisadores fizeram mais de 1 milhão de simulações de encontros entre dois a 10 aeronaves. Compararam sua solução emparelhados para outras soluções, tais como uma estratégia menos coordenado em que cada zumbido reage apenas à sua ameaça mais próximo. Sua solução pares apresentaram melhorias significativas de segurança, os tempos de decisão mais rápida e diminuição das taxas de alerta.
Ong e Kochenderfer disse que mais trabalho a ser feito, por exemplo, para explicar as falhas de comunicação, anomalias climáticas repentinas ou drones deliberadamente disruptivas. Mas eles esperam que uma versão evoluída de sua arquitetura será implementada em um dos finais constrói da UTM, que estimativas da NASA será concluída até 2019.
"É gratificante trabalhar em um problema que as pessoas estão se unindo e batendo cabeças e descobrir a melhor solução, apesar de haver realmente não é um único vôo rentável ainda", disse Ong, cujo trabalho foi reconhecido em setembro como o melhor pós-graduação papel estudante da Avionics Systems Conference Digital, realizada em Praga.
