Autopilotos certificables para UAV, 5 cosas que deberías saber

Todos los UAV integran una Flight Control Computer, o lo que popularmente conocemos como Autopiloto. Muchos dirían que es la pieza clave del sistema para asegurar el mejor rendimiento del Vehículo Aéreo No Tripulado. Por lo tanto, durante el desarrollo del Sistema de Control de Vuelo es importante elegir al proveedor adecuado de FCC o Autopiloto. No hay tantas opciones en el mercado, aunque siempre puedes comenzar con soluciones de código abierto para tu demostrador.

Esta publicación se centra en resaltar todo aquello que debes conocer si tu UAV se califica como categoría especifica o certificada. Hasta ahora nadie se preocupaba por la certificación, principalmente porque no se habían publicado los estándares de certificación, y con realizar algunas pruebas funcionales era suficiente para la mayoría de autoridades nacionales y clientes. Las agencias de seguridad aérea nacionales e internaciones han dedicado mucho tiempo a elaborar protocolos razonables específicamente adaptados a este nuevo segmento. Mientras, ha habido regulaciones heterogéneas y varios niveles de permisos diferentes en todo el mundo. La mayoría de los fabricantes de UAV de tamaño medio, utilizando equipos no safety-critical, han encontrado algunas pocas regiones en las que poder vender sus plataformas pilotadas. Pero finalmente, podemos ver la luz al final del túnel. Ahora conocemos las nuevas normativas y estándares que marcan el diseño, desarrollo, mantenimiento y operación de los UAS. Además, las autoridades nacionales las están estableciendo poco a poco.

Esto es lo que debes saber para seleccionar e integrar un Flight Control Sistema en tu UAS de categoría específica o certificada.

Primero, saber qué es lo que realmente necesitas

Aquí es donde principalmente han surgido muchas confusiones. Por ejemplo, he escuchado muchas veces que el "Autopiloto" debe de cumplir con las DO178C/DO254/DO160, y puede ser así, pero no es suficiente. Ello depende principalmente de la aplicación y del contexto de la operación. Por lo que la primera duda a resolver sería "¿qué es lo que realmente necesito?”. Para responder a esta pregunta debemos trabajar de antemano otras cuestiones, como el plan de certificación, los conceptos de la operación, la evaluación de riesgos de operación y la evaluación de seguridad del sistema. Solo teniendo esta información puedes conocer la arquitectura que necesitas, los requisitos de fiabilidad de las unidades involucradas y el Development Assurance Level de cada una de esas unidades, además de un conjunto de requisitos y funciones que se deben implementar en cada unidad. Solo una vez que tengamos esa información podemos identificar qué buscamos en un “Autopiloto”, al igual que en las otras unidades que pertenecen al Sistema de Control de Vuelo,

Encontrar al proveedor correcto de Autopilotos

Durante más de una década, los UAV han estado utilizando una computadora integrada que implementaba todas las funciones del sistema de control de vuelo, aparte de la fusión sensorial, las comunicaciones y la gestión de vehículos aéreos. Además, el SW de control de vuelo implementado no ha seguido ningún proceso de calidad que demostrara que es libre de errores, confiable y estable. De la noche a la mañana, algunos fabricantes ya afirman que están cumpliendo con los estándares de aviación que todo el mundo necesita. Averigüemos cuánta verdad hay en sus palabras:

1. ¿Tienen un sistema de calidad? Cabe esperar que los proveedores de sistemas de aviónica cumplan con al menos la ISO9001 o la ISO9100, dependiendo de quién fabrica su HW. De hecho, no necesitan ser certificados, pero la ISO9001 es mucho más barata de obtener que una DO178C DAL C y facilitaría la implementación de la DO178C.

2. ¿Tienen los procesos? El desarrollo de unidades electrónicas safety-critical en aviación requieren un mínimo de procedimientos, procesos y funciones, como son el control de configuración, la gestión de cambios, la gestión de requisitos, el plan de desarrollo de HW, el plan de desarrollo de SW... alineados con los estándares de aviación (ARP4754A) o similares. Esto no es simplemente para tener la certeza de la calidad del producto, sino también porque el Autopiloto debe estar personalizado para cada avión (siempre) y deben de seguirse todos esos procesos y documentarse. Debes revisarlos y auditarlos antes de comenzar a trabajar con ellos.

3. ¿Realmente tienen los data-pack de HW/SW? La calificación de SW y HW genera un conjunto de entregables que prueban el cumplimiento de los estándares y deben demostrarse ante las autoridades. Por lo tanto, se aconseja revisar los artefactos asociados de primera mano o pedirle a un especialista externo que revise si cumplen.

4. ¿Tienen el equipo? La calificación de HW y SW requiere un gran equipo dependiendo del Development Assurance Level implementado en la unidad. Algunos fabricantes prometen equipos certificables, mientras que ni siquiera tienen la base y el equipo necesario para justificar los mínimos.

5. Obsolescencia. Se debe conocer y garantizar la obsolescencia prevista para el equipo que se está comprando, ya que lo que se debería esperar es una durabilidad de al menos una década. Además, en el acuerdo, se debe garantizar el respaldo del sistema de por vida. Se debería de poder proporcionar al cliente un reemplazo cuando sea necesario.

6. Nunca se ajustan las leyes de control de vuelo directamente durante el vuelo. Si el proveedor promete ajustar las ganancias de su plataforma en vuelo, algo va mal. Si realmente cumplen con los procesos estándar, se debe garantizar la verificación de las leyes de control de vuelo que se van a implementar en su aeronave siempre antes de comenzar a volar. No es necesario proporcionarle al cliente los algoritmos o SW, sino generar la evidencia que demuestre el cumplimiento de los requisitos de calidad de vuelo. Obviamente, siempre se puede comenzar con un proyecto demostrador para diferentes propósitos, pero pensar en la certificación requiere un enfoque diferente.

7. ¿El autopiloto gestiona la carga útil y la misión? Las funciones que no son críticas para la seguridad, como codificar vídeo y cambiar el apuntamiento de la carga útil, no son funciones safety-critical. Si tienen estas funciones dentro de la misma caja, deberían poder explicar muy bien por qué un error en esa sección SW/HW no afectaría directamente a la parte safety-critical. Calificar esa sección de SW/HW es una pérdida de tiempo y dinero, y si la parte safety-critical y la parte no safety-critical están conectadas de alguna manera, es porque no se ha realizado una evaluación de seguridad adecuada del sistema.

8. ¿Puedes configurar el Autopiloto por tu cuenta? Si el proveedor te permite configurar las ganancias de control, los límites de la envolvente de vuelo o las limitaciones de operación, y escribir sus propios conductores... También debe de informarte de que la unidad y las calificaciones de SW se perderían a menos que tengas los procesos adecuados (DO178C) y generes los artefactos adicionales y cualifiques ese código por tu cuenta o ejecutes las pruebas de verificación y validación como complemento de la fase de verificación.

9. Cualificación ambiental. Los estándares MIL-STD-810G o DO160 se aplican ampliamente en aviación. Debes verificar si las condiciones ambientales cumplen con las condiciones requeridas para tu aeronave y si las pruebas de cualificación se han realizado realmente. Una cosa es lo que se dice y otra lo que realmente se ha probado.

10. Pruebas, pruebas y pruebas. El sistema que se está construyendo sufre varias etapas de verificación mientras se integra: prueba a nivel unidad, prueba a nivel de sistema, prueba a nivel de UAS... El plan de ensayos a nivel unidad (ATP/FAT) es parte de la información inicial que se debe solicitar evaluar el producto de tu proveedor. Debe observarse que el plan de prueba puede personalizarse para los requisitos de la aeronave y sistema, pero si están "cualificados" es porque ya han pasado por ese proceso para otro tipo de aeronave. Puedes solicitar esa documentación o parte de ella para una auditoría.

11. Ensayos ambientales iniciales o Environmental Stress Screening. Todas las unidades electrónicas pasan por ciertas pruebas específicas de ciclos de vibración y temperatura para descartar los problemas de fabricación y montaje que pueden reducir su probabilidad de fallo inicial por debajo de los niveles requeridos. También puede solicitarse para una revisión.

Aunque hayas podido sentirte identificado con situaciones en las que un potencial proveedor de autopilotos no haya sido totalmente honesto contigo, debes de saber que hay otros proveedores que están trabajando muy duro para proporcionar soluciones que serán certificables en el momento en que se publiquen las nuevas regulaciones.

Un Autopiloto no es un COTS y nunca debe de ser plug&play

Un Autopiloto es una solución personalizada para tu aeronave y las unidades que forman parte de ella. Nunca es una solución plug & play o COTS (Commercial Off The Shelf). Por lo que, si alguien te dice que funcionará de inmediato, no está siendo completamente honesto contigo. Además, la personalización implica identificar nuevos requisitos, realizar nuevas pruebas modificando código (como mínimo), y debe seguir los procesos para mantener el cumplimiento de DO178C.

A pesar de eso, hay proveedores que ofrecen una gran variedad de opciones de personalización, lo que reduce mucho el proceso, al final cada solución de control de vuelo es única (HW/SW) para cada diseño de aeronave.

Un Flight Control System certificable no es barato

En caso de que desee comprar su solución de control de vuelo y personalizarla, y luego integrarla, debe conocer cuáles son los costes de mercado. Debería de esperar que le den una cifra de 6 ceros para la categoría certificada y 5 ceros para una categoría específica. Hay detalles que pueden cambiar la cantidad total, pero al menos puedes identificar lo que se adecuaría a tus expectativas.

Dicho esto, seguir el enfoque correcto reducirá el coste general de desarrollo y evitará riesgos no deseados. Actualmente existen soluciones potenciales que pueden reducir mucho los costes de personalización e integración, pero esta vez desde un nivel de arquitectura. Entonces, si realmente desea mitigar el riesgo y el coste, puede buscar un ciclo de vida de proyecto iterativo-incremental mientras diseña su sistema de control de vuelo siguiendo un enfoque desde “arriba hacia abajo” en lugar de “de abajo hacia arriba”.

Integración, verificación and validación

Tendrás que lidiar con la integración, verificación y validación. Cuando se adquieren las diferentes unidades, el proceso de integración y verificación debe ejecutarse de forma controlada, realizando simulaciones de hardware in the loop para fines de verificación a nivel de sistema. Además, se deben realizar actividades de prueba en tierra y en vuelo para verificar y validar que el sistema se comporta correctamente. Especialmente en condiciones de fallo, modos degradados y contingencias. Todos estos procesos y capacidades responden al “Systems Engineering Master Plan" y al "Test and Evaluation Master Plan" que deben cumplir con los requisitos del estándar aeronáutico. Tú, el integrador de aeronaves, debe tener todos estos planes y procedimientos implementados antes de acercarse a las etapas finales de integración. Mientras tanto, si no eres DOA (Design Organization Approval), debes implementarlo en paralelo a tu proceso de certificación de UAV.

Como puedes ver, el punto de adquirir un "Autopiloto" certificable para un UAV no es tan sencillo como comprar algo que cumpla con DO178C y DO254, instalarlo y comenzar a volar. Es mucho más que eso, y no tener una visión global ciertamente te llevará a comprar piezas electrónicas costosas, que pese a todo no te permitirán certificar tu UAS. Puede que ni siquiera lo haga más seguro o confiable.

En Abionica Solutions, llevamos más de una década trabajando en soluciones de control de vuelo para UAV pequeños y grandes. Brindamos soporte de diseño de ingeniería de sistemas, modelado y simulación, y leyes de control de vuelo para sistemas no tripulados, y ayudamos a nuestros clientes a encontrar los proveedores que más se ajustan a sus necesidades; especificando la personalización requerida; apoyando la integración y la verificación, y ayudando en el difícil camino hacia la certificación.