Estudantes da Cornell ajudam a NASA com segurança de drones no céu

Uma equipe de estudantes da Universidade Cornell está chamando a atenção da indústria e do governo federal com os resultados de suas pesquisas sobre a criação de um sistema nacional de gerenciamento de transporte aéreo no qual milhares de drones poderiam operar juntos com segurança.

A NASA está patrocinando seu trabalho através do Desafio de pesquisa para estudantes universitários (USRC), que oferece bolsas a estudantes universitários interessados ​​em ajudar a agência a atingir seus objetivos de pesquisa aeronáutica.

“Observar novos sistemas de gestão de tráfego para drones não é novidade”, disse Mehrnaz Sabet, estudante de doutorado na área de ciência da informação que atua como investigador principal da bolsa e lidera a equipe de Cornell. “Na verdade, a NASA lidera esse esforço há anos.”

Agora, através do USRC, a NASA está a dar a Sabet e à sua equipa a oportunidade de oferecer abordagens inovadoras à segurança dos drones, gerindo os seus movimentos no ar, aproveitando as suas mentes jovens e ideias novas.

O benefício final da pesquisa de Cornell nesta área é a plena realização de mobilidade aérea avançadauma área de foco da indústria que inclui tudo, desde táxis voadores urbanos, aeronaves mais robustas de resposta a desastres e pizza quente e fresca entregue na sua porta.

O trabalho também ressalta o valor que a NASA atribui ao amadurecimento de tecnologias de ponta e à ajuda no desenvolvimento de sua futura força de trabalho por meio de iniciativas como o USRC.

“Sabet e sua equipe demonstraram habilidades versáteis envolvendo software, algoritmos, hardware, desenvolvimento de sensores, testes de laboratório, simulações e testes de voo reais – uma combinação rara”, disse Parimal Koperdekar, diretor interino da NASA Programa de Operações e Segurança do Espaço Aéreo.

Atualmente, os operadores de drones devem apresentar planos que descrevam completamente a trajetória de voo pretendida do drone junto a um serviço de gerenciamento de tráfego. Esses planos são verificados com outros para garantir que não haverá colisões – o que a Sabet chama de desconflitação estratégica.

O desafio é que o sistema de gestão de tráfego aéreo atual é limitado na sua capacidade de lidar com o número crescente de aeronaves que sobem ao céu. Adicionar milhares de drones à mistura durante os próximos anos corre o risco de sobrecarregar o sistema, disse Sabet.

O que é necessário no ar é essencialmente o que temos no terreno – onde milhões de pessoas conduzem numa estrada todos os dias, disse ela.

Como motorista, você pode conhecer toda a sua “trajetória” ou o caminho que seguiria para chegar ao seu destino. Mas você nunca coordenaria seu plano com todos os outros motoristas na estrada antes de partir. Em vez disso, as leis de trânsito e a infraestrutura, como semáforos e sinais de trânsito, permitem que você evite conflitos com outros carros enquanto dirige.

Os operadores de drones ainda terão que apresentar planos de voo informando para onde pretendem ir, mas a ideia é incorporar essa flexibilidade semelhante à de um carro nos sistemas operacionais dos drones, permitindo-lhes serem adaptáveis ​​durante suas viagens.

“Precisamos de garantir que todos estes diferentes tipos de drones possam resolver taticamente os conflitos entre si, para que seja seguro para eles operarem como os carros fazem no solo. E essa peça que falta – a desconflito tático – está no centro do nosso projeto”, disse Sabet.

A chave para a pesquisa da equipe de Cornell é a noção de integração de um mundo simulado com o real para testar e demonstrar como os drones podem aprender a se adaptar a condições potencialmente perigosas e fazer as correções necessárias em sua trajetória de voo por conta própria.

Sabendo que não poderiam sair e pilotar 100 drones ao mesmo tempo para testar as suas ideias para a resolução de conflitos tácticos, os alunos decidiram criar um mundo urbano inteiramente virtual para avaliar diferentes modelos de tráfego de alto volume, algoritmos de separação e dados relacionados.

“Nosso primeiro ano de projeto foi dedicado à adaptação e dimensionamento desse mecanismo de simulação e tudo correu muito bem”, disse Sabet. “Mas não queríamos nos limitar a uma simulação. Queríamos ver como a simulação se traduzia no mundo real, o que era mais importante.”

Ainda prejudicados pelas limitações de quantos drones poderiam operar e onde poderiam voar – não muitos e basicamente no meio do nada – eles buscaram o melhor dos dois mundos, real e imaginário.

“O que acabamos fazendo foi incorporar a simulação em um drone real, de modo que o drone pensou que estava voando em um ambiente urbano denso, embora na verdade estivesse voando em um campo aberto onde não havia uma cidade real à vista”, disse Sabet.

Isso permitiu que a equipe experimentasse diferentes ferramentas de gerenciamento de tráfego e avaliasse como os drones poderiam coordenar as correções de curso e evitar colisões entre si.

Durante o ano passado, eles levaram a ideia adiante ao pilotar dois drones reais no mundo real, cada um executando a simulação em tempo real a bordo, permitindo-lhes coordenar e “ver” o tráfego simulado e um ao outro dentro do ambiente de teste integrado.

“Nós então os colocaríamos intencionalmente em rota de colisão direta para testar a resistência dos modelos de detecção e prevenção e de coordenação e ver quão bem eles reagem e coordenam as manobras do drone para evitar colidir uns com os outros”, disse Sabet.

Seu sucesso tocou os especialistas da NASA em Gerenciamento de tráfego de sistemas de aeronaves não tripuladas (UTM).

“O que é impressionante é que o estudo de Cornell incluiu mais de 10.000 execuções envolvendo mais de um milhão de trajetórias e mais de 200.000 horas de experimentação para entender como a coordenação descentralizada multiagente ocorreria com segurança”, disse Kopardekar.

A indústria e a Administração Federal de Aviação também responderam positivamente a esta pesquisa e ao seu potencial. A equipe foi solicitada a usar sua infraestrutura e tecnologia para recriar virtualmente um incidente em 2025, no qual um par de drones colidiu com um guindaste estacionário no Arizona. A equipe também mostrou como o acidente poderia ter sido evitado.

A equipe também foi solicitada a simular incêndios recentes e reais na Califórnia para mostrar como os drones poderiam coordenar melhor seus movimentos, tanto para fornecer consciência situacional aos funcionários de segurança pública no terreno quanto para evitar aviões-tanque supressores de incêndio.

E de acordo com a equipe de Cornell, a FAA está interessada em aplicar a combinação de testes virtuais e reais do projeto para avaliar as operações de drones sob níveis crescentes de complexidade operacional.

“Esse tipo de complexidade operacional de realidade mista permite que eles testem operações de drones de uma forma que não era possível antes”, disse Sabet.

Graças ao apoio da NASA através do USRC, a equipe de Cornell continuará a expandir suas capacidades e a gerenciar operações avançadas de mobilidade aérea cada vez mais complexas.

“Nosso objetivo é construir os sistemas fundamentais que permitam uma autonomia segura e em grande escala nos céus”, disse Sabet.

USRC é uma oportunidade dentro da NASA Programa de Conceitos de Aeronáutica Transformativa sob a agência Diretoria de Missão de Pesquisa Aeronáutica.