L’intensificarsi del numero di Aeromobili a Pilotaggio Remoto nei cieli di tutto il mondo enfatizza la preoccupazione per tutti quegli aspetti relativi alla sicurezza e all’efficienza della gestione del traffico aereo che ne deriva.
Continua a crescere nel mondo, il numero di droni (detti anche Aeromobili a Pilotaggio Remoto – APR o Unmanned Aerial Vehicles – UAV, cioè veicoli aerei senza pilota) all’interno dello spazio aereo tradizionalmente occupato dagli utenti dell’ “aviazione generale”, ossia di quel segmento dell’aviazione civile comprendente «voli non militari, voli che non prevedono il trasporto di passeggeri e di merci dietro remunerazione, né pattugliamenti, controlli di infrastrutture, ricerca e soccorso».
Si tratta di uno spazio aereo non controllato, destinato a voli privati con passeggeri a bordo, «mediante jet, elicotteri leggeri, alianti, deltaplani, parapendii, mongolfiere e altri mezzi simili», il cui scopo è, per lo più, turistico o sportivo-ricreativo [fonte: Sharing airspace with Uncrewed Aerial Vehicles (UAVs): Views of the General Aviation (GA) community – Journal of Air Transport Management, luglio 2022].
La presenza sempre più marcata dei droni in tale spazio, allo scopo di realizzare – ad esempio – mappature del territorio, fotografie e riprese aeree, monitoraggi ambientali, operazioni di sorveglianza e sicurezza, ricerca e salvataggio di dispersi, si deve a un mercato globale degli APR a uso professionale-commerciale che, a partire dal periodo post-Covid, si è espanso a un tasso di crescita annuo pari al 23,7%, con la previsione di un valore complessivo attorno ai 21,69 miliardi di dollari entro il 2030 [fonte: Allied Market Research].
Per avere un’idea del traffico che si è creato nello spazio aereo dell’aviazione generale e dei numeri che lo determinano, basti l’esempio degli Stati Uniti, dove la Federal Aviation Administration (FAA) «registra quotidianamente circa 200.000 aerei con equipaggio che effettuano solo un paio di migliaia di voli simultaneamente nelle ore di punta, mentre sono già registrati oltre mezzo milione di droni ricreativi e oltre 300.000 droni professionali-commerciali» [fonte: Federal Aviation Administration].
Takeaway
Urge un’armonizzazione del traffico di droni (anche in vista dell’avvento dei taxi volanti)
In “Decentralized traffic management of autonomous drones” (Swarm Intelligence, 11 luglio 2024), un team di ricerca della Eötvös Loránd University di Budapest fa notare come, nello spazio aereo comune, «la densità degli Aeromobili a Pilotaggio Remoto aumenterà ancora di più nelle future smart cities, in cui velivoli assai simili ai droni, oltre a ispezionare il tessuto urbano e a monitorare la sicurezza cittadina, consegneranno merci e trasporteranno persone, diventando parte della nostra vita quotidiana e portando in primo piano l’esigenza di una gestione della mobilità aerea il più possibile sicura e affidabile».
Riguardo, nello specifico, all’impiego di aeromobili simili ai droni per il trasporto di passeggeri nel traffico cittadino, ampia eco ha avuto un articolo apparso il 30 maggio 2024 su National Geographic (“Would you travel by flying taxi? Here’s everything you need to know”), in cui i cosiddetti “taxi volanti” vengono descritti come realtà presente e non più solo come mera ipotesi futura, specie in Cina, a New York e nel Regno Unito, dove hanno superato lo stadio di progetto e rappresentano già un fatto concreto.
«Più di 150 aziende nel mondo – si legge nell’articolo – stanno lavorando allo sviluppo di taxi volanti, con un ampio consenso sul fatto che questi assomiglieranno ai droni». Più in particolare, si tratterà di velivoli eVTOL (electric Vertical Take-Off and Landing), ovvero di aeromobili elettrici (per il momento, con pilota a bordo) in grado di decollare e di atterrare verticalmente, senza bisogno di una pista, proprio come i droni.
«Come per l’ascesa delle auto elettriche, l’innovazione proviene dalla Cina, dove, nel 2023, il produttore di droni EHang ha ottenuto l’approvazione per il suo taxi volante dall’Autorità per l’aviazione civile cinese. In seguito, ha ricevuto ordini per cento dei suoi velivoli da utilizzare per visite turistiche e voli navetta sopra la città di Hefei e ora sta sviluppando anche una versione senza pilota».
Risale a novembre del 2023 il primo volo di un taxi volante eVTOL su New York, «da dove, il consueto viaggio di un’ora verso l’aeroporto internazionale John F. Kennedy potrebbe essere ridotto a sette minuti». E Londra si prepara, entro il 2026, a una serie di test che vedranno aerotaxi eVTOL a cinque posti sorvolare la città, decollando e atterrando verticalmente grazie a strutture dedicate (vertiporti) che l’amministrazione cittadina sta già predisponendo.
Coordinamento di droni nel traffico aereo autonomo: gli approcci passati
Lo scenario al quale si è accennato illustra, a livello globale, un traffico di droni – frapposto allo spazio aereo dell’aviazione generale – divenuto alquanto denso e complesso che, inevitabilmente, pone (e, in futuro, ne porrà sempre di più) diverse sfide sotto il profilo della gestione e della sicurezza della mobilità in volo.
In materia, il già citato studio a cura della Eötvös Loránd University di Budapest è di recente intervenuto proponendo una soluzione decentralizzata del traffico di droni, basata su un metodo combinato che prevede, in primis, la pianificazione del percorso del mezzo e, successivamente, i processi di rilevamento e di evitamento degli ostacoli lungo la traiettoria di volo.
Ma prima di vedere, nel concreto, di che cosa si tratta, diamo un rapido sguardo ad alcuni dei molteplici lavori che, negli ultimi quindici anni, hanno dato il proprio contributo in tema di coordinamento di più droni all’interno di una dinamica di traffico aereo autonomo che – come sottolinea il gruppo di ricercatori ungheresi – differisce da quella dello “sciame (o “stormo”) di droni”, in quanto il compito alla base è completamente diverso:
«I più grandi sciami di droni eseguono voli in cui il compito è sincronizzare i movimenti e volare “insieme”. Nel traffico autonomo, invece, anziché muoversi insieme, i velivoli devono potersi muovere in modo indipendente lungo i propri percorsi individuali, ma in modo coordinato»
Inizialmente, l’approccio poggiava sulla “pianificazione centralizzata” del percorso multi-drone, «in cui il difficile problema di generare traiettorie 4D non sovrapposte veniva risolto da un computer centrale, prima del decollo o durante il volo».
In particolare, i metodi utilizzati includevano modelli matematici, tra cui il Mixed Integer Linear Programming – come avanzato dagli autori di “Path Planning for UAVs Under Communication Constraints Using SPLAT! and MILP” (Journal of Intelligent & Robotic Systems, 2011) – o il Sequential Convex Programming, come suggerito dallo studio descritto in “Generation of collision-free trajectories for a quadrocopter fleet: A sequential convex programming approach” (IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2012).
A partire dal 2020, è stata, poi, la volta dei metodi di pianificazione centralizzata bio-ispirati come, ad esempio, quello che imita le colonie di formiche, illustrato in “Swarm-Based 4D Path Planning For Drone Operations in Urban Environments” (IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2021).
I sistemi centralizzati hanno, però, tutti un punto critico che – nel corso del tempo – ne ha segnato il limite, vale a dire la necessità di infrastrutture di comunicazione molto stabili e il fatto di essere poco scalabili, poco adattivi.
I metodi decentralizzati
In anni più recenti, sono stati i metodi decentralizzati di pianificazione del percorso multi-drone (dove nessun computer centrale guida e controlla gli aeromobili, i qual navigano tutti in maniera autonoma, evitando collisioni, grazie a un computer a bordo) ad essersi imposti quali strumenti maggiormente flessibili nella gestione del traffico aereo complesso.
Un esempio di tali soluzioni proviene da due ricerche – “EGO-Swarm: A Fully Autonomous and Decentralized Quadrotor Swarm System in Cluttered Environments” e “Safe Tightly-Constrained UAV Swarming in GNSS-denied Environments” – entrambe apparse su IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) nel 2021, in cui gli autori si focalizzano sulla navigazione degli APR in ambienti caratterizzati da un’elevata densità di ostacoli, introducendo un algoritmo decentralizzato per la navigazione autonoma e utilizzando fino a tre droni reali.
Questi lavori – il primo condotto in ambiente accademico cinese e il secondo della Repubblica Ceca – hanno in comune l’aver testato, attraverso numerose simulazioni ed esperimenti reali (anche se con pochi velivoli), la tecnica messa a punto.
Particolarmente interessante per la sua originalità, lo studio illustrato in “Sky Highway Design for Dense Traffic” (Science Direct, 2021), a cura della Beihang University di Pechino, incentrato sul progetto di autostrade aeree dalla struttura geometrica, concepite per permettere ai droni di organizzarsi in corsie simili a “strade nel cielo”, dove ogni aeromobile avrà il suo percorso.
Anche in questo caso, la validità dell’idea progettuale è stata messa alla prova da una serie di dimostrazioni pratiche, le quali, tuttavia, hanno rilevato non poche restrizioni alla libera circolazione dei mezzi.
Gli studi successivi a quelli citati presentano solo risultati di simulazioni, ma nessun esperimento sul campo con droni reali. Fino a luglio 2024, quando la Eötvös Loránd University di Budapest – nel già menzionato “Decentralized traffic management of autonomous drones” – ha reso noto il proprio approccio alla gestione decentralizzata del traffico di droni, testato su una flotta composta da centinaia di veicoli aerei senza pilota. Approfondiamo insieme di che cosa si tratta.
Pianificazione dei percorsi aerei in tempo reale
L’algoritmo di pianificazione decentralizzata del volo dei droni messo a punto dai ricercatori dell’Ateneo ungherese è, per diversi aspetti, bioispirato:
«Abbiamo progettato un controllore della velocità degli APR che incorpora i termini di interazione tipici dei modelli che descrivono il movimento collettivo di mandrie di animali, costituito da dinamiche di “repulsione” e di “allineamento” derivate dai riflessi dei mammiferi. Il che ci consente di seguire un modus operandi completamente decentralizzato, governato da semplici interazioni a coppie di droni, che danno origine a sistemi scalabili»
spiegano. Il metodo alla base è denominato “percepisci-ed-evita” (“sense-and-avoid”), che consiste – appunto – in «interazioni repulsive e di allineamento della velocità a coppie», che permette di gestire le priorità gerarchiche tra i velivoli.
I droni immersi nel traffico aereo autonomo- senza controllo centrale – impiegando tale algoritmo, non fuoriescono dallo schema repulsione-allineamento, «piuttosto combinano continuamente le due dinamiche in modo adattivo e simbiotico».
Ogni drone – precisa il team di studio – trasmette, più volte al secondo, la propria posizione, la propria velocità di volo e la destinazione ai droni vicini e riceve da questi ultimi gli stessi dati. «Il nostro algoritmo di controllo utilizza tali input per determinare, per ciascun aeromobile, la velocità desiderata».
Il modello è stato sottoposto a test mediante simulazioni, durante i quali è stato dimostrato con successo il traffico auto-organizzato ad alta velocità di ben 5000 droni.
Alle simulazioni virtuali sono seguite, poi, dimostrazioni dal vivo impiegando cento droni autonomi, «il cui compito era quello di raggiungere le destinazioni assegnate in modo indipendente, evitandosi a vicenda nello spazio aperto, in un coordinamento decentralizzato».
Infine, sono stati mappati anche casi di voli stratificati, per illustrare la soluzione in situazioni di traffico di droni particolarmente denso per le future smart cities.
Glimpses of Futures
La strategia descritta, di controllo decentralizzato di più droni in volo con compiti indipendenti, mostra come il coordinamento e la risoluzione puntuale dei conflitti nel momento stesso in cui i mezzi aerei si muovono nello spazio comune, sia un elemento cardine della gestione sicura del traffico degli APR.
Utilizzando la matrice STEPS, proviamo ora ad anticipare possibili scenari futuri, analizzando gli impatti che l’evoluzione dell’algoritmo di pianificazione decentralizzata del volo dei droni potrebbe avere dal punto di vista sociale, tecnologico, economico, politico e della sostenibilità.
S – SOCIAL: se, come afferma l’EASA – European Union Aviation Safety Agency, «… il potenziale di collisione in volo tra droni e altri velivoli è un aspetto di preoccupazione per la sicurezza, a causa della crescente accessibilità dei sistemi di aeromobili senza pilota», l’approccio decentralizzato al coordinamento degli APR nel traffico aereo autonomo – come quello presentato dai ricercatori della Eötvös Loránd University – emerge quale metodo efficiente e flessibile, oltre che adattabile a droni di diverse tipologie. Il che, in uno scenario futuro, potrebbe rendere tale metodo «parte di uno standard globale nella gestione decentralizzata del traffico dei sistemi aerei senza pilota».
T – TECHNOLOGICAL: sotto il profilo tecnologico, in futuro, il focus della ricerca – oltre che sulle sfide poste dal traffico di droni all’aria aperta, dove i mezzi si evitano a vicenda sulla base dei dati di posizione assoluta trasmessi attivamente da ogni velivolo – potrebbe indirizzarsi sulla sicurezza del traffico di Aeromobili a Pilotaggio Remoto nelle città intelligenti che, negli anni a venire, richiederanno ai sistemi senza pilota l’abilità di evitare i cosiddetti “ostacoli passivi” (cioè gli oggetti statici, ad esempio i grattacieli) e di risolvere la questione del traffico in “spazi confinati”, come quelli che connotano il tessuto urbano.
E – ECONOMIC: sebbene il comparto dei droni sia globalmente in espansione (solo nell’UE, è previsto, entro il 2035, un giro di affari superiore ai 10 miliardi di euro all’anno [fonte: “Drones: Foreseeing a ‘risky’ business? Policing the challenge that flies above” – Science Direct, 2022]), altrettanto impattanti dal punto di vista economico sono i casi di cattiva gestione del traffico di APR, responsabili – a loro volta – dell’interruzione protratta di attività, con ripercussioni ai danni di infrastrutture critiche. Emblematico, a tale riguardo, è quanto accaduto all’aeroporto di Londra-Gatwick nel 2018, quando fu avvistato un drone su una pista di volo. Incidente che, oltre a comportare la chiusura dello scalo per due giorni (con una perdita di circa 64 milioni di euro per le compagnie aeree), costò, complessivamente, l’equivalente di 75 milioni di euro in ritardi, deviazioni e spese per la mobilitazione di esercito e Polizia.
P – POLITICAL: una soluzione per la pianificazione dei percorsi dei droni in tempo reale, come quella introdotta dal gruppo di lavoro dell’Università ungherese, è in linea con il progetto europeo PODIUM per la gestione sicura e protetta del traffico di APR, teso a sviluppare un sistema in grado di interagire con tutte le tipologie di aeromobili con pilota a bordo. Il progetto, in questo momento, viene testato presso cinque siti reali (rurali e urbani), in tre paesi UE, attraverso prove che prevedono «operazioni in aeroporti, spazi aerei controllati e ambienti misti, con aviazione pilotata».
S – SUSTAINABILITY: il sistema di gestione decentralizzata del traffico di droni descritto, con le sue istanze di sicurezza e affidabilità, in futuro, andrebbe nella direzione della cosiddetta “advanced air mobility”, mobilità aerea attenta ai temi della sostenibilità a 360 gradi, compresa quella ambientale, fatta di riduzioni delle emissioni di rumore e di gas inquinanti da parte dei velivoli. In particolare, nelle future città smart, il traffico aereo di droni coordinato in maniera flessibile e decentralizzata contribuirebbe, indirettamente, a una minore congestione delle strade, favorendo, al contempo, il raggiungimento delle aree più periferiche, meno servite dai mezzi di trasporto convenzionali rispetto a quelle più centrali, e, dunque, supportando la sostenibilità urbana.
