En la Trayectoria del Vuelo: Cómo la Simulación está Dando Forma al Futuro de la Autonomía en el Sector Aeroespacial y de Defensa

Hay mucho revuelo en torno a los vehículos autónomos, incluso aquellos que pueden volar. En el sector aeroespacial y de defensa (A&D), los aviones autónomos pronto surcarán los cielos para ofrecer un medio de transporte más rápido, más barato, más limpio, más seguro y más integrado. Y sin duda revolucionará las industrias aeroespacial comercial y de defensa. Con numerosas aplicaciones en los sectores civil y de defensa, la autonomía total cambiará la forma en que se percibe hoy la movilidad aérea.

Al igual que otras aplicaciones, la industria de defensa suele ser la fuerza pionera detrás de los principales inventos aeroespaciales; sin embargo, los beneficios indirectos ciertamente también pueden verse en el sector aeroespacial comercial. Si bien la industria de defensa ya ha desarrollado drones no tripulados capaces, en los aviones comerciales actuales sólo se pueden ver niveles iniciales de funciones de autonomía, como sistemas de asistencia al piloto.

Existen numerosos beneficios que la industria de defensa puede obtener con mayores niveles de autonomía. Beneficios como:

• Eficiencia de la misión: las misiones de defensa suelen ser urgentes y una mayor eficiencia es más una necesidad que un beneficio. Un mayor nivel de automatización conlleva una mayor precisión, ya que los sistemas autónomos son mucho más precisos a la hora de realizar tareas y misiones predefinidas en comparación con sus homólogos humanos.

• Menor riesgo: las misiones a menudo implican actividades de alto riesgo, como búsqueda y rescate en entornos hostiles y manipulación y eliminación de materiales peligrosos. Cualquier nivel de autonomía que reduzca la presencia humana y las botas físicas en el terreno para realizar acciones peligrosas ciertamente reduce los factores de riesgo involucrados.

• Resistencia: las misiones de larga duración pueden aumentar la fatiga, elevando el nivel general de riesgo. La resistencia de las máquinas autónomas para misiones de larga duración, como búsqueda y rescate, es muy valiosa.

• Escalabilidad: los sistemas autónomos pueden funcionar de forma independiente o conectados en red para funcionar en cohortes, según la naturaleza del ejercicio. La capacidad de trabajar conjuntamente con precisión milimétrica mejora enormemente la flexibilidad, la escalabilidad y la eficiencia, al mismo tiempo que reduce el tiempo de ejecución.

• Tiempo de respuesta más rápido: los sistemas autónomos permiten el procesamiento de grandes conjuntos de datos en condiciones de tiempo real. El procesamiento casi instantáneo de datos sin procesar y las decisiones instantáneas posteriores superan con creces las capacidades humanas en cualquier condición dada.

Para examinar y comprender la necesidad y la importancia de la autonomía en la aviación, es importante comprender primero las diferentes aplicaciones en las que niveles más altos de autonomía realmente pueden marcar la diferencia.

• Sistemas de gestión de vehículos aéreos (AVMS): en la industria de defensa, se refieren a sistemas y tecnologías integrados que se implementan para gestionar y controlar vehículos aéreos no tripulados y drones. Los AVMS se utilizan para controlar y automatizar tareas como el despegue, el aterrizaje y la ejecución de misiones. Estos sistemas críticos también son responsables de mantener la comunicación con las estaciones de control, monitorear el estado, realizar diagnósticos y mantener la ciberseguridad.

• Vuelo en formación y enjambre: El vuelo en formación y el enjambre se refieren a un concepto avanzado en el que los aviones vuelan de manera coordinada mientras mantienen una distancia específica dentro de una configuración geométrica. Los vuelos en formación tienen diversas aplicaciones y beneficios, como amplia vigilancia e inspección aérea, monitoreo ambiental y retransmisión de comunicación constante para comunicarse a grandes distancias.

• Neutralización de la amenaza de misiles: la neutralización de la amenaza de misiles se refiere al uso de sistemas autónomos para detectar, rastrear y contrarrestar cualquier ataque con misiles entrantes. Los sistemas que son capaces de tomar decisiones en fracciones de segundo son clave para el funcionamiento eficiente de varias etapas, incluida la detección, la toma de decisiones, las contramedidas, el lanzamiento, la interceptación y la adaptación en tiempo real.

• Sistemas de asistencia al piloto: Los sistemas de asistencia al piloto pueden realizar diversas funciones como piloto automático, navegación automatizada e incluso maniobras evasivas. La automatización de tareas rutinarias en la cabina permite al piloto concentrarse en tomar decisiones relacionadas con parámetros críticos. Como resultado, la seguridad general mejora debido a una mayor conciencia situacional.

• Transporte de carga autónomo: el transporte de carga no tripulado es otra aplicación clave. Lograr soluciones logísticas de bajo costo en las que módulos autónomos puedan navegar a áreas remotas con servicios limitados puede agregar un valor enorme a la economía.

• Control de tráfico aéreo optimizado: la optimización de las rutas de vuelo con aviones con inteligencia artificial (IA) puede ayudar enormemente a reducir la congestión del tráfico aéreo. Se pueden lograr mayores niveles de sostenibilidad optimizando rutas que puedan reducir el consumo general de combustible.

• Respuesta a emergencias: los sistemas automatizados pueden realizar ciertas funciones limitadas en caso de una emergencia. Debido a que los sistemas autónomos son capaces de analizar rápidamente la situación, estos sistemas pueden brindar orientación a los pilotos en emergencias como fallas de motor, problemas de salud repentinos y aterrizajes de emergencia.

Al igual que en la industria automotriz, la autonomía en A&D también incluye múltiples niveles. Estos niveles pueden variar desde asistencia y recomendación (como L1 y L2 en automoción) hasta automatización y autonomía total (como L3 a L5 en automoción). El siguiente cuadro muestra la relación entre el grado de autonomía logrado y la cantidad de responsabilidad que se transfiere a los sistemas autónomos integrados.

Como se indicó anteriormente, existe cierto nivel de autonomía incorporado en los aviones comerciales actuales (piense en los sistemas de piloto automático), pero eso es simplemente raspar la superficie de la autonomía para realizar tareas de asistencia y recomendación. Aunque los sistemas de piloto automático prevalecen desde hace algunos años y forman parte de la mayoría de los aviones de nueva generación, la ley de aviación exige la presencia de al menos dos pilotos capacitados en la cabina.

La carga de costos asociada con este mandato en la aviación comercial es un problema importante para los fabricantes de aeronaves y, por lo tanto, sirve como uno de los casos de uso destacados para presionar por el desarrollo de sistemas autónomos seguros. Con el desarrollo y avance de sistemas autónomos avanzados, la industria de la aviación comercial puede estar dispuesta a reducir el mandato para incluir solo un piloto en la cabina en lugar de dos. 

El desarrollo de sistemas autónomos en A&D se enfrenta a varios retos:

• Las aplicaciones deben operar en entornos complejos e inciertos y soportar sistemas autónomos y de asistencia al piloto, garantizando al mismo tiempo la seguridad del sistema.

• Las aplicaciones deben respaldar el diseño de rendimiento de sistemas eficientes, como trayectorias con conciencia de energía o maximización de cobertura de área.

• La percepción en entornos complejos requiere un enfoque multisensor.

• El entrenamiento y validación de la percepción requiere simular miles de escenarios en tiempo real.

• Las pruebas de vuelo reales para validar el sistema y garantizar la seguridad y la confiabilidad son costosas.

La simulación es quizás la respuesta más rentable y confiable en lugar de los extensos datos de pruebas en vuelo que se requieren para establecer una línea de base para cumplir con los requisitos de seguridad y confiabilidad.

Ansys está girando para satisfacer estas demandas de la industria con Ansys AVxcelerate Sensors , una herramienta de simulación de sensores en tiempo real para el desarrollo, prueba y validación de la percepción de sensores.

Hay algunas características versátiles que hacen de AVxcelerate una opción ideal para simulaciones de autonomía de A&D:

• Precisión:  AVxcelerate proporciona una simulación precisa de sensores basada en la física. Viene con un conjunto completo de modelos de sensores paramétricos que incluyen cámara óptica, lidar, radar y cámara térmica, así como con interfaces de usuario e interconectividad con ecosistemas de validación y desarrollo de usuarios. La simulación basada en la física de AVxcelerate se basa en las propiedades medidas del material y la luz. Tiene en cuenta el aspecto multiespectral de la propagación de la luz en tiempo real, lo que permite al usuario simular casos extremos del mundo real, como diversas condiciones de iluminación y climáticas extremas.

• Agnóstico de la cadena de herramientas: AVxcelerate proporciona una arquitectura abierta con la capacidad de conectar sensores basados ​​en la física a cualquier simulador de vuelo de terceros a través de API públicas basadas en los estándares Google Protobuf o grpc (programación/scripting en C/C++, .Net o Python).

• Conectividad de software-in-the-loop (SiL) y hardware-in-the-loop (HiL): el software de percepción se puede probar tanto en la computadora host con SiL como en el banco de pruebas con HiL. Tenga en cuenta que HiL requiere el uso de una caja de inyección, que reemplaza el generador de imágenes real con la imagen virtual.

Con las herramientas de simulación avanzadas disponibles hoy en día, lograr una autonomía total en A&D parece más realista que nunca.