Automated Contingency Management in Unmanned Aircraft Systems

Abstract

[ES] El ritmo de desarrollo tecnológico actual y la investigación científica están permitiendo alcanzar mayores niveles de automatización en todos los sectores industriales. Uno de los ejemplos más representativos es el uso de aeronaves no tripuladas (UAS) en diferentes aplicaciones. Debido al gran potencial de este tipo de aeronaves, las Autoridades de Aviación Civil están desarrollando un nuevo marco regulatorio que permita integrarlas en el espacio aéreo civil de forma segura. El objetivo consiste en garantizar que la operación con UAS se realice con un nivel de seguridad equivalente al de la aviación tripulada convencional.

Para tratar de alcanzar este objetivo, esta tesis propone aumentar el nivel de automatización de un UAS dotando al sistema embarcado con la capacidad de Gestión Automática de Contingencias (ACM). La función del sistema ACM es la de asesorar al piloto en el momento en que se produce una contingencia en vuelo; y en última instancia, tomar el control total de la aeronave si la situación así' lo requiere (por ejemplo, en caso de pérdida del enlace de Comunicación y Control (C2)) o si el piloto delega la resolución del conflicto al sistema automático. Para acreditar que las nuevas funciones no suponen un riesgo añadido para la operación, resultará determinante seguir metodologías de diseño seguro basadas en los estándares de la industria aeroespacial.

La tesis propone una solución tecnológica basada en tres pilares: a) una arquitectura software para el sistema automático a bordo de la aeronave que trate de adaptar la trayectoria de vuelo a la condición operacional del vehículo, equilibrando seguridad y robustez; b) una especificación de Plan de Misión novedosa que permita aumentar la predictibilidad de la aeronave tras sufrir una contingencia; y c) un modelo de riesgo que permita determinar la ruta que minimiza el riesgo derivado de la operación.

Las diferentes propuestas realizadas en esta tesis se han implementado en un demostrador y se han validado en un entorno de simulación. Los resultados obtenidos apoyan la idea de que dotar al sistema embarcado de mayor grado de automatización puede ser un mecanismo viable hacia la integración segura de UAS en el espacio aéreo civil. En concreto, los resultados muestran que el sistema ACM propuesto es capaz de reducir el riesgo de la operación tras sufrir una contingencia y que, cuando esto ocurre, la respuesta de la aeronave sigue siendo predecible, incluso si el piloto no puede intervenir.

[CA] El ritme de desenvolupament tecnològic actual i la investigació científica estan permetent implementar majors nivells d'automatització a tots els àmbits de la indústria. Un dels exemples més representatius és l'ús d'aeronaus no tripulades (UAS) en diferents aplicacions. Vist el gran potencial d'aquest tipus d'aeronaus, les Autoritats d'Aviació Civil estan tractant de desenvolupar un nou marc regulador que permeta integrar-les en l'espai aeri civil de forma segura. Es tracta de garantir que l'operació d'un UAS es realitza amb un nivell de seguretat equivalent al de l'aviació tripulada convencional.

Per tal d'assolir aquest objectiu, aquesta tesi proposa augmentar el nivell d'automatització d'un UAS dotant el sistema embarcat amb la capacitat de Gestió Automàtica de Contingències (ACM). La funció del sistema ACM és assessorar el pilot quan ocorre una contingència en vol; i en última instància, prendre el control total sobre l'aeronau si és necessari (per exemple, en cas de pèrdua de l'enllaç de Comunicació i Control (C2)) o si el pilot delega la resolució del conflicte al sistema automàtic. Per tal d'acreditar que les noves funcions del sistema automàtic no comporten un risc afegit per a l'operació, resultarà determinant emprar metodologies de disseny segur d'acord amb els estàndards de la indústria aeroespacial.

La tesi proposa una solució tecnològica basada en tres pilars: a) una arquitectura software per al sistema automàtic a bord de l'aeronau que tracte d'adaptar la trajectòria de vol a la condició operacional del vehicle, equilibrant seguretat i robustesa; b) una especificació de Pla de Missió innovadora que permeta augmentar la predictibilitat de l'aeronau quan ocorre una contingència; i c) un model de risc que permeta determinar la ruta que minimitza el risc derivat de l'operació.

Les distintes propostes realitzades en aquesta tesi s'han implementat sobre un demostrador i s'han validat en un entorn de simulació. Els resultats de la investigació recolzen la idea que dotar el sistema embarcat d'un major grau d'automatització pot ser un mecanisme adient per integrar els UAS en l'espai aeri civil de manera segura. En concret, els resultats indiquen que el sistema ACM és capaç de reduir el risc de l'operació quan ocorre una contingència i que en eixe cas, la resposta de l'aeronau segueix sent predicible, fins i tot si el pilot no hi pot intervenir.

[EN] Technological development and scientific research are steadily enabling higher levels of automation in the global industry. In the aerospace sector, the operation of Unmanned Aircraft System (UAS) is a clear example. Given the huge potential of the UAS market, Civil Aviation Authorities are elaborating a new regulatory framework for the safe integration of UAS into the civil airspace. The general goal is ensuring that the operation of UAS has an Equivalent Level of Safety (ELOS) to that of manned aviation.

To meet the previous goal, this thesis advocates for increasing the level of automation of UAS operations by providing the automatic system on-board the aircraft with Automated Contingency Management (ACM) functions. ACM functions are designed to assist the pilot-in-command in case a contingency, and ultimately to fully replace the pilot if this is required by the situation (e.g. due to a Command and Control (C2) link loss) or if the pilot decides so. However, in order for automation to be safe, automated functions must be developed following safe design methodologies based on aerospace standards.

The thesis develops a technological solution that is based on three pillars: a) a software architecture for the automatic system on-board the aircraft that tries to autonomously adapt to contingencies while still achieving mission objectives; b) a novel Mission Plan specification than increases predictability in the event of a contingency; and c) a probabilistic risk model that ensures that the flight trajectory is optimal from the point of view of the risk exposure.

The different proposals are prototyped and validated using a simulation environment. The results obtained support the idea that an increase in the automation level of the aircraft can be an effective means towards the safe integration of UAS into the civil airspace. The proposed ACM functions are proved to reduce the operational risk in the event of a contingency, while ensure that the aircraft remains predictable, even without pilot intervention.