Come viene pianificato un percorso di volo a basso rischio per veicoli autonomi in ambienti complessi?

La pianificazione di un percorso di volo ottimale per veicoli autonomi in ambienti complessi richiede un equilibrio tra minimizzazione del tempo di volo e riduzione del rischio di danni. Nel caso di studio del lago Tegernsee in Baviera, la sfida consiste nel trovare una traiettoria che permetta al veicolo di spostarsi da un punto di partenza sulla riva occidentale a un obiettivo situato a circa 6,1 km sulla sponda orientale. Il percorso deve essere calcolato tenendo conto di molteplici fattori: condizioni meteorologiche, presenza di ostacoli come barche e nuotatori, e valori di danno associati alle aree sorvolate.

Ogni arco viene discretizzato in segmenti, per ognuno dei quali si valuta il margine di sicurezza rispetto al terreno e agli ostacoli, nonché il costo di rischio basato su una valutazione euristica che integra dati ambientali e oggetti di rischio presenti nel database. Il costo totale dell’arco è calcolato sommando il tempo di volo e il costo di rischio ponderato da fattori specifici. Il risultato è un grafo pesato che può essere attraversato utilizzando un algoritmo di ricerca A*, che ottimizza il percorso trovando un compromesso tra minimizzazione del tempo e riduzione del rischio.

L’efficienza computazionale è fondamentale soprattutto per applicazioni di pianificazione online in tempo reale, dove il sistema deve reagire rapidamente a nuove richieste, come un atterraggio di emergenza. La struttura del grafo può essere pre-calcolata, mentre la ricerca e la modifica del percorso sono eseguite durante il volo. La funzione euristica del costo usa il tempo di volo in linea retta come limite inferiore, garantendo ammissibilità e accelerando la ricerca della soluzione ottimale.

Per tradurre il percorso lineare ottenuto dal grafo in una traiettoria realmente eseguibile, si applica una procedura iterativa di smussamento. Vengono calcolate curve parametriche indipendenti per i profili orizzontale e verticale tra coppie di waypoint, mantenendo costante la velocità lungo ogni segmento ma consentendo variazioni tra segmenti consecutivi. I vincoli di raggio di curvatura, inclinazione e accelerazione verticale assicurano che la traiettoria sia dinamicamente fattibile e sicura.

Oltre alla mera pianificazione del percorso, è essenziale comprendere il significato e l’impatto del costo di rischio all’interno del processo decisionale. Il rischio non è un parametro statico, ma varia in funzione delle condizioni ambientali e delle caratteristiche specifiche dell’area di volo. Per esempio, la presenza di persone e imbarcazioni sul lago aumenta significativamente il valore di danno potenziale, influenzando così la scelta di rotte meno rischiose anche se più lunghe. Questo approccio consente una gestione più consapevole e adattativa delle missioni di volo, fondamentale per operazioni autonome in ambienti complessi e variabili.

Come si può garantire la sicurezza e l'integrazione del traffico aereo per i velivoli senza pilota?

La certificazione dei velivoli senza pilota (UAS) rappresenta un elemento fondamentale per consentire la generazione di traiettorie con rischio limitato e la capacità di reagire a situazioni impreviste durante le operazioni. Un approccio graduale alla maturazione dell’affidabilità può prevedere inizialmente l’approvazione di rotte di volo specifiche, definite offline, come primo passo. Successivamente, metodi formali, come quelli impiegati nel Safety Operation Model (SOM), possono essere utilizzati per validare automaticamente la sicurezza delle traiettorie calcolate prima del volo. In questa fase, l’unico elemento da qualificare sarebbe lo strumento di valutazione ispirato al SOM, eliminando la necessità di approvazione delle rotte complesse. L’impiego futuro del SOM risulterà cruciale per abilitare la pianificazione di volo in tempo reale, monitorando sia la generazione della traiettoria sicura sia il suo tracciamento da parte del velivolo.

Tuttavia, un prerequisito imprescindibile per questi sviluppi è la disponibilità di informazioni cartografiche affidabili, aggiornate e accettate, che includano tutte le informazioni esterne necessarie. Un’altra sfida ancora aperta riguarda la quantificazione relativa dei rischi operativi associati alle diverse aree sorvolate. I pesi relativi attualmente utilizzati negli algoritmi di pianificazione devono trovare supporto in modelli accettati di rischio a terra. La pubblicazione imminente dell’Annex F di SORA potrebbe rappresentare una chiave decisiva per superare questa difficoltà nel prossimo futuro.

Il concetto ALAADy, che prevede il volo degli UAS al di sotto del traffico aereo regolare, si fonda sull’ipotesi che ciò possa ridurre significativamente il rischio aereo. Tuttavia, anche a quote inferiori alle altitudini minime di sicurezza dell’aviazione con pilota, è possibile che i velivoli cargoUAS incontrino altri partecipanti al traffico aereo, come aviazione generale, ultraleggeri, alianti, mongolfiere, paracadutisti, missioni di soccorso e altri sistemi senza pilota. Per questo motivo, l’implementazione di infrastrutture aggiuntive per fornire servizi di spazio aereo e sistemi di rilevamento e evitamento (DAA) è essenziale.

Il tentativo di far comportare gli UAS come velivoli con pilota, soprattutto per quanto riguarda la deconfliction del traffico aereo attraverso sistemi DAA, non ha avuto successo negli ultimi decenni. Di conseguenza, sono in fase di progettazione e implementazione graduale concetti di servizi digitali dedicati a specifici volumi di spazio aereo per abilitare l’operatività degli UAS. Tra i più noti vi sono il concetto UTM (Unmanned Aircraft System Traffic Management) della NASA/FAA e il programma U-space del SESAR europeo.

La compatibilità dello spazio aereo G+ con U-space è stata successivamente analizzata, dimostrando l’equivalenza con il Concept of Operations per i sistemi UTM europei (CORUS). L’inclusione degli UAS negli aeroporti commerciali rappresenta un’ulteriore difficoltà dal punto di vista della gestione dello spazio aereo. È stato proposto un ruolo separato di Service Remote Pilot (SRP) per gestire l’avvicinamento e il decollo degli UAS nello spazio aereo tipico degli aeroporti, ma i droniporti dedicati risultano preferibili per il trasporto regolare. In situazioni eccezionali, come disastri umanitari, gli SRP potrebbero offrire alternative utili per utilizzare i punti di trasbordo degli aeroporti commerciali.

È cruciale valutare la criticità di un eventuale guasto dell’infrastruttura G+, poiché tale evento potrebbe richiedere la terminazione di sicurezza del volo come ultima misura, dato che un numero potenzialmente illimitato di UAS potrebbe trovarsi nello spazio aereo coinvolto. La disponibilità dei servizi di spazio aereo deve dunque essere molto elevata. Tuttavia, il rischio reale dipende dalla presenza di velivoli con pilota nelle vicinanze degli UAS al momento del guasto, il che suggerisce la possibilità di misure di mitigazione più moderate in futuro, come impedire l’accesso di velivoli con pilota quando i servizi sono offline.

Un aumento dell’autonomia combinata con il SOM potrebbe ridurre i requisiti di affidabilità del datalink e dell’HMI. Studi di simulazione indicano una distanza minima di rilevamento di 4–5 km per garantire l’evitamento delle collisioni e l’autoseparazione. Soluzioni esistenti, come FLARM, sviluppato originariamente per alianti, possono già soddisfare queste esigenze tecniche. Tuttavia, la compatibilità con i servizi U-space e la scalabilità in base al numero previsto di UAS devono essere considerate nello sviluppo futuro dei sistemi DAA per le operazioni a bassa quota.

La validazione sperimentale dei sistemi e dei modelli proposti avviene su due livelli: simulazioni digitali e dimostrazioni tecnologiche con diversi livelli di maturità. Le simulazioni consentono di affrontare specifiche domande di ricerca, come la gestione a terra o l’integrazione con l’avvicinamento agli aeroporti, mentre i dimostratori tecnologici e i velivoli senza pilota commerciali modificati permettono di valutare i risultati in scenari reali.

La piena comprensione di questi temi implica la consapevolezza che la sicurezza degli UAS non si basa solo su singoli componenti o tecnologie isolate, ma sull’integrazione sinergica di pianificazione, monitoraggio, infrastrutture digitali, autonomia e gestione dei rischi. La collaborazione tra regolatori, sviluppatori tecnologici e operatori sarà essenziale per tradurre in pratica queste visioni e garantire un’operatività efficace e sicura negli spazi aerei condivisi. Solo attraverso l’armonizzazione di tutti questi elementi si potrà raggiungere un sistema di trasporto aereo senza pilota affidabile e sicuro.

Come l'UCA può Ottimizzare il Trasporto di Parti di Ricambio: Analisi dei Vantaggi e dei Costi

Nel contesto del trasporto aereo delle parti di ricambio, le caratteristiche dei velivoli a carico non pilotato (UCA) rappresentano una soluzione innovativa per affrontare le sfide logistiche legate ai tempi e ai costi di consegna. Dopo un controllo tecnico e un rifornimento, il volo di ritorno generalmente avviene senza carico, poiché non sono necessari beni da trasportare verso la fabbrica o il magazzino centrale del produttore. Di conseguenza, il volo di ritorno si svolge senza carico utile a bordo. Le esigenze del velivolo in relazione alla capacità di carico dipendono dal peso e dalle dimensioni delle parti di ricambio. Nel caso di CLAAS, il peso medio delle spedizioni si aggira intorno ai 500 kg. Pertanto, la capacità di carico massima di una tonnellata risulta sufficiente per la maggior parte delle consegne di parti di ricambio. Tuttavia, parti di ricambio di grandi dimensioni, come quelle per le unità di taglio delle mietitrebbie, che possono raggiungere una lunghezza di 12 metri, richiedono un vano di carico e una portella maggiori.

Un altro aspetto fondamentale riguarda l'infrastruttura degli aeroporti di partenza e arrivo. È essenziale che questi aeroporti siano adeguatamente attrezzati, non solo per il rifornimento e l'approvvigionamento energetico dell'UCA, ma anche per le operazioni di carico e scarico. Ciò implica la disponibilità di personale adeguatamente formato per eseguire operazioni che non sono automatizzabili durante il trattamento del carico e la gestione dell'aeromobile.

L'uso di un UCA riduce significativamente i tempi di trasporto rispetto ai veicoli commerciali leggeri (LCV). Per dieci percorsi rappresentativi in Germania, è stato confrontato il tempo di trasporto utilizzando solo veicoli leggeri e con il trasporto combinato aria-strada. Le distanze dirette tra la partenza e la destinazione variano da 150 a 528 km. Nel caso del trasporto combinato, gli aeroporti più vicini al punto di origine e alla destinazione sono stati utilizzati per il decollo e l'atterraggio. La riduzione del tempo di trasporto è stata ottenuta grazie alla velocità relativamente alta del velivolo e alla possibilità di utilizzare piccoli aeroporti, risparmiando tempo rispetto all'uso di aeroporti grandi e congestionati.

Tuttavia, va considerato anche l'aspetto economico. Sebbene il trasporto combinato aria-strada sia significativamente più costoso rispetto al solo trasporto su strada (circa quattro-cinque volte di più), i costi aggiuntivi devono essere valutati in funzione dei costi di fermo produzione del cliente. In presenza di costi di fermo produzione elevati, il vantaggio di un trasporto più rapido può giustificare l'uso dell'UCA, rendendo il costo supplementare accettabile. Se il costo del fermo è elevato, il risparmio sui tempi di produzione, grazie a un trasporto più rapido, può compensare il maggiore investimento iniziale.

Infine, il trasporto aereo rappresenta una valida opzione per raggiungere aree difficili da raggiungere, dove la mancanza di infrastrutture terrestri rende il trasporto via strada impraticabile o estremamente lungo. Le zone montuose, i territori segnati da conflitti o quelli con infrastrutture di trasporto fragili rappresentano aree in cui l'UCA può avere un impatto significativo, riducendo i tempi di consegna delle merci, tra cui forniture mediche e altri materiali di soccorso.

Per quanto riguarda l'utilizzo delle UCA per il trasporto di merci essenziali in queste regioni, i vantaggi sono evidenti. La possibilità di atterrare su piccole piste aeroportuali o addirittura in aree non convenzionali rende queste soluzioni ideali per operazioni umanitarie in aree remote e difficili da raggiungere. L'efficacia di un UCA dipende però anche dalla disponibilità di infrastrutture adeguate e dalla presenza di personale qualificato che possa gestire le operazioni a terra.

Infine, è essenziale tenere a mente che, oltre agli aspetti logistici e ai vantaggi economici, l'introduzione di UCA nel trasporto di merci delicate o urgenti implica anche una riflessione sulla sicurezza e sulla regolamentazione del traffico aereo. Se da un lato queste tecnologie possono ridurre i tempi di consegna, dall'altro pongono nuove sfide in termini di controllo del traffico aereo e di gestione della sicurezza nei cieli.

Qual è la struttura di un sistema di veicoli autonomi e come influenzano le diverse varianti e livelli di affidabilità?

La progettazione di architetture di sistemi per veicoli autonomi (UA) richiede una comprensione approfondita delle varie componenti e dei requisiti operativi che definiscono il loro funzionamento. Le architetture variano in base ai requisiti specifici, come la classe di rischio aereo (ARC) e il livello di assicurazione dell'affidabilità (SAIL). In particolare, esistono differenze significative tra i vari livelli di SAIL, che determinano la complessità del sistema e l'integrazione di funzionalità critiche per la sicurezza.

Le architetture di sistema per i veicoli autonomi sono costruite su base logica, indipendentemente dalle soluzioni specifiche, e si compongono di diverse componenti fondamentali. Tra queste, il Sistema di Controllo di Volo (FCS) è responsabile della traduzione degli input dell'operatore e delle informazioni sullo stato del veicolo in comandi di sterzo. A questo si aggiunge il Sistema di Controllo di Volo e Atterraggio di Emergenza (FCELS), che include la capacità di eseguire un atterraggio di emergenza in scenari critici, come quelli che prevedono il volo su aree popolate.

Un altro elemento essenziale è il Sistema di Protezione dai Limiti di Envelope di Volo e degli Errori Umani (FEHEP), che monitora i comandi di sterzo per prevenire il superamento dei limiti di velocità, carico e geografia di volo consentiti. Questa funzionalità è necessaria a partire dal livello di SAIL III, e risulta fondamentale per garantire il rispetto dei requisiti di sicurezza durante il volo. Il Sistema di Monitoraggio (MS) ha la funzione di monitorare lo stato di volo del veicolo e prevenire possibili guasti, mentre il Sistema di Rilevamento Guasti (MDS) si occupa di monitorare le funzioni critiche del veicolo, con il feedback che può essere utilizzato autonomamente dal FCS o dall'operatore. Entrambi i sistemi sono essenziali per garantire l'integrità e la sicurezza del veicolo, specialmente in scenari complessi.

L'architettura del sistema deve anche prevedere sistemi di propulsione e atterraggio adeguati. I Sistemi di Propulsione (PS) e i Sistemi di Fornitura Combustibile (FSS) garantiscono che il veicolo possa decollare, mantenere il volo e atterrare in sicurezza. Questi sistemi possono includere motori a combustione interna o motori elettrici, a seconda della configurazione scelta. È importante sottolineare che, in un sistema certificato, non è prevista la perdita del veicolo come scenario possibile, il che implica che l'architettura deve essere progettata per massimizzare l'affidabilità in ogni fase del volo.

Le architetture che soddisfano i requisiti di un sistema certificato devono integrarsi con sistemi complessi, come il TARMS (Tactical Air Risk Mitigation System), che è obbligatorio per le missioni di classe ARC-b o superiori. La gestione del rischio aereo e la protezione contro l'uscita dall'area operativa sono elementi fondamentali per garantire che il veicolo rimanga operativo e sicuro durante tutta la durata del volo. Questo richiede un’attenta valutazione dei rischi e un monitoraggio costante delle condizioni di volo.

Infine, quando si valuta la necessità di ridondanze e di affidabilità nelle diverse architetture di sistema, il sistema di valutazione del rischio deve seguire linee guida rigorose, come quelle stabilite dal documento ARP 4761, che fornisce una metodologia per l'identificazione dei guasti e la determinazione del livello di affidabilità richiesto. La valutazione dei rischi si concentra principalmente sul rischio a terra, poiché si assume che, fintanto che il veicolo non esce dall'area operativa, i rischi aerei siano già gestiti dal TARMS. Tuttavia, la valutazione della probabilità di uscita dall'area operativa (10–4/FH) rimane un parametro chiave per determinare l'affidabilità complessiva del sistema.

In sintesi, la progettazione e l'implementazione di architetture per veicoli autonomi richiedono un equilibrio tra affidabilità, complessità e costi. I vari livelli di SAIL, i sistemi di monitoraggio, e le soluzioni di emergenza come l'IDRS, sono tutti aspetti che influenzano il modo in cui un sistema può operare in modo sicuro e efficiente in scenari complessi. La comprensione di queste dinamiche è essenziale per sviluppare soluzioni che rispondano ai requisiti di sicurezza e operatività imposti dalle normative internazionali.

Qual è il comportamento del canale radio aria-terra a bassa quota per i velivoli senza pilota?

Il modello di canale aria-terra (AG) descritto qui integra due approcci: il modello CE2R (Curved Earth Two-Ray) per il fading su larga scala e il modello di Rice per il fading su piccola scala in condizioni di linea di vista (LOS). Il primo tiene conto della curvatura terrestre e dei limiti geometrici che essa impone sulla portata del segnale diretto. A differenza del modello a terra piatta, dove la portata teorica sarebbe illimitata, il CE2R impone un orizzonte radio fisico, oltre il quale la comunicazione LOS non è più possibile. La portata massima dipende direttamente dall’altitudine dell’UA e dall’altezza dell’antenna della stazione base (BS): ad esempio, con una BS a 50 metri e l’UA a 150 metri, la portata non supera gli 80 chilometri.

L_total,dB = L_CE2R,dB + L_Rice,dB.

Nel dettaglio, il contributo CE2R si ottiene calcolando la differenza di percorso tra il raggio diretto e quello riflesso, la loro interferenza costruttiva o distruttiva (influenzata dalla fase relativa tra i due segnali) e il coefficiente di riflessione, che a sua volta dipende dall’angolo di incidenza e dalla permittività relativa del suolo. Per tener conto della rifrazione atmosferica, si utilizza un raggio terrestre "efficace", calcolato come Reff = k * Re, dove Re è il raggio reale della Terra e k è un coefficiente di rifrazione comunemente fissato a 4/3 nelle comunicazioni vicine alla superficie terrestre.

Il modello di Rice viene applicato per modellare il fading a piccola scala in presenza di un forte componente LOS. Qui, l’attenuazione è espressa come funzione casuale della variabile aleatoria X, il cui valore segue una distribuzio