Así funciona el piloto automático de los aviones (y por qué ha tardado en llegar a los coches)

Cada día se habla más de los coches autónomos. Van a llegar dentro de poco, que nadie lo dude, pues la tecnología ya está aquí, y simplemente se están dando los últimos retoques para asegurar su fiabilidad, encontrar una forma eficaz de comunicación entre el coche autónomo y el resto de usuarios de la vía, y mejorar la integración de los sensores a la par que se reduce el coste del sistema.

El coche autónomo es un deseado sueño para muchos que tiene su punto de partida en el piloto automático de los aviones. Aunque conseguir que un avión vuele es bastante complejo y no está exento de riesgos, conseguir un sistema de piloto automático útil y eficaz no lo fue tanto como conseguir que un coche se conduzca completamente solo. Hace más de 100 años que se presentó el primer sistema.

El primer piloto automático data de 1912

El primer piloto automático de avión, o autopiloto, se desarrolló en 1912 por Sperry Corporation, detrás de la que encontramos al inventor norteamericano Elmer Ambrose Sperry. Este hombre fue coinventor junto con el físico alemán Hermann Anschütz-Kaempfe del girocompás, en esencia un tipo de giróscopo moderno (o giroscopio), que indica el norte geográfico (que no el magnético, ojo).

Este sistema demostró su funcionamiento en un vuelo real en 1914. El sistema en sí era bastante sencillo: se conectaban un indicador de altitud giroscópico y una brújula al timón, elevadores y alerones, que estaban operados hidráulicamente (el sistema hidráulico mueve unos actuadores, que a su vez mueven los tres tipos de superficies de mando y control principales: timón de cola, elevadores de cola y alerones de las alas, que permiten que el avión cambie de dirección).

El sistema se complementaba también con un equipo ADF, de localización radiomagnética, o radioayuda (que requiere de balizas de radio NDB en tierra. De esta manera se mantenía el avión a velocidad constante en vuelo recto y nivelado (sin guiñada, ni cabeceo, ni alabeo), sin que el piloto tuviera que llevar las manos sobre la palanca de mando.

Este sistema nació para asistir al piloto durante su cometido y liberarle de parte del trabajo, que después de horas provoca una importante carga y fatiga en los brazos, hombros y espalda.

Como puedes ver era un sistema simple: el avión seguía volando en línea recta, por un cielo teóricamente despejado de cualquier otro objeto, pero en todo momento el piloto tenía que estar pendiente del vuelo para reaccionar ante un imprevisto o incidencia, o para cambiar de rumbo (para girar, vaya). Pocos años después, en 1920, un barco utilizó un piloto automático: fue el buque petrolero J.A. Moffet de la Standard Oil.

Obviamente un sistema así es útil para un vuelo o un barco, donde se pueden recorrer largas distancias en línea recta, sin cambiar de rumbo, pero algo similar en un coche carecería de toda utilidad porque cada dos por tres hay que enfrentarse a curvas, en las que el sistema no sería capaz de actuar.

Las computadoras hicieron evolucionar el autopiloto

A medida que la electrónica y las computadoras se desarrollaron, el sistema de piloto automático pudo evolucionar hacia un nivel todavía más complejo y completo, donde ya no solo es capaz de mantener una velocidad, un rumbo y un nivel, sino que puede realizar maniobras según sea preciso.

Un sistema de piloto automático de avión moderno, activado y programado por el piloto del mismo, y dependiendo del tipo concreto de aeronave, es capaz de:

• Mantener la altitud programada.
• Ascender o descender a una nueva altitud programada.
• Mantener la velocidad programada.
• Acelerar o reducir a una nueva velocidad programada.
• Seguir un rumbo programado.
• Seguir un plan de ruta programado, con puntos de control, incluyendo cambios de rumbo, ascensos o descensos.
• Alinear el avión con la pista de aterrizaje del aeropuerto.
• Realizar un aterrizaje automatizado (hay diferentes categorías de aterrizaje asistido por instrumentos, y no todos los aviones, ni todos los pilotos, pueden realizarlo).

El piloto automático se emplea habitualmente en los vuelos comerciales en las fases de ascenso (por encima de los 400 pies de altura, unos 122 m), crucero, descenso y aproximación, y también en el aterrizaje, siempre habiendo sido programado por los pilotos, y con la supervisión continua de estos. Existiendo incluso prototipos de aterrizajes completamente autónomos.

El rodaje en el aeropuerto entre la terminal y la pista, o desde la pista hasta la terminal (conocido en inglés como taxiing), así como el despegue, no pueden realizarse automatizadamente, sino siempre en modo manual con el control de los pilotos del avión.

Sistema de gestión de vuelo: el piloto automático moderno

El piloto automático moderno está integrado en lo que se conoce como sistema de gestión de vuelo, conocido por sus siglas en inglés FMS (por Flight Management System). El FMS forma parte a su vez de la aviónica de la aeronave (para que nos entendamos, la electrónica del avión, que hoy en día es mucha).

El FMS viene a ser una computadora con la que coordinar los diferentes sistemas electrónicos del avión (también se le llama FMC, por computer). El MCDU (Multi Control Display Unit) que vemos en la foto superior, viene a ser el teclado y la pantalla (dipositivo de entrada y de visualización) de esa computadora.

Además del MCDU, el sistema de piloto automático del avión cuenta con su correspondiente panel de control (MCP), conectado con el FMS, donde se visualizan o programan los valores de rumbo, velocidad, cabeceo, altitud, etcétera. Los pilotos tienen que reprogramar con frecuencia los parámetros de vuelo a través de este panel de control, según las indicaciones que reciben por radio de los controladores de tráfico aéreo.

Los aviones actuales siguen teniendo sistemas hidráulicos y actuadores para operar las superficies de mando y control, que se combinan con el acelerador automático y diferentes sensores para determinar la posición del mismo, controlado todo por la computadora del FMS. También se emplean sistemas electrónicos por cable (fly-by-wire), y sistemas electromecánicos, en los aviones más modernos.

El acelerador automático, o autothrottle en inglés, de manera muy resumida podríamos asimilarlo a un sistema de control de velocidad de crucero (cruise control) en un coche. Este sistema controla automáticamente la potencia de los motores del avión, regulando el flujo de combustible, ya sea para mantener o alcanzar una velocidad, ya sea para mantener o alcanzar un determinado empuje.

El piloto automático de hoy en día permite volar de manera más segura, y junto con el autothrottle, ayuda a volar de manera más eficiente, consumiendo menos combustible.

Entre los principales sensores y sistemas de una aeronave moderna se encuentran:

• Sistema de navegación inercial (INS, por sus siglas en inglés), este integra acelerómetros (sensores de movimiento) con giroscopios (sensores de rotacion), junto con una unidad de procesamiento, para calcular la posición, orientación y velocidad del avión. Se hace de manera estimada, sin necesidad de referencias externas.

• Transpondedor activo. Este sistema de telecomunicación recibe su nombre por ser transmisor-respondedor. Se utiliza para el control de tráfico aéreo desde tierra. La estación de tierra pregunta al equipo de la aeronave por su identificación, altitud, velocidad... este transmite la respuesta y así aparece en la pantalla del radar del controlador aéreo, que organiza los distintos aviones en el espacio aéreo. También hay sistemas aire-aire, entre aeronaves.

• TCAS, (Traffic alert and Collision Avoidance System). Se basa en el estándar ACAS. Asociado al transpondedor que acabamos de explicar, pero con dos antenas propias, un computador y un panel de control, existe un sistema complementario de alerta de tráfico y anticolisión: las aeronaves que están próximas conocen los datos de distancia, rumbo y altitud entre ellas, de manera que este sistema puede alertar del riesgo de colisión si los rumbos se cruzan, o en algunos sistemas más avanzados proponer a cada aeronave que modifique su trayectoria (por ejemplo que una suba y la otra baje) para evitar la colisión.

• Sistema global de navegación por satélite (GNSS). El sistema de navegación inercial puede ir acumulando pequeños errores a medida que aumenta la distancia recorrida. En un primer momento estos se reducen con un sistema carrusel y con el procesamiento digital de señales con filtro de Kalman. Para reducir aún más los errores de posición, se corrige a su vez con referencias externas, como son los satélites y las radioayudas. Con el GNSS las coordenadas geográficas y altitud se determinan con la posición del avión triangulada a partir de las señales de los satélites en órbita de los sistemas GPS y GLONASS.

• Radioayuda, o radionavegación. Con este nombre se engloban diferentes sistemas de señales de radio generadas en tierra desde los aeropuertos de manera constante, en una determinada frecuencia fija, que permiten al avión guiarse. Hoy en día suele ser el sistema VOR el más utilizado, también conocido como radiofaro, más avanzado que los sistemas NDB o el antiguo ADF que utilizó el primer piloto automático de 1912.

• Equipo telemétrico medidor de distancia (DME), es también otro sistema de radioayuda que suele estar incluido dentro del sistema de radiofaro VOR. Permite conocer la distancia entre la aeronave y la estación emisora de tierra, según la velocidad relativa con el suelo. DME está sustituyendo a las radiobalizas (exterior, intermedia e interior) de la pista de aterrizaje.

• Sistema de aterrizaje instrumental, (ILS), de nuevo es otro sistema de radioayuda, en este caso para aproximación y aterrizaje en la pista del aeropuerto, mediante antenas localizadoras situadas al final de la misma que emiten las señales de radio. Permite tener información sobre el patrón correcto para realizar el descenso y alineamiento con la pista. ILS emplea también el sistema DME anteriormente descrito.

Para mejorar la seguridad el sistema de piloto automático funciona en un modo multicanal, para que en caso de algún fallo se pueda cambiar a otro canal operativo, o finalmente tomen el control los pilotos.

Para entender un poco mejor cómo funciona, podéis ver el siguiente vídeo explicativo de cómo opera un vuelo comercial de KLM entre Amsterdam y Londres con piloto automático desde la cabina de un Boeing 737.

Entonces, ¿por qué ha tardado tanto en llegar a los coches?

Si lograr que un avión vuele por el aire es notablemente más complejo que hacer rodar un coche sobre el suelo, existiendo desde hace décadas los sistemas de piloto automático en aviones, ¿cómo es posible que haya tardado tanto en llegar a los coches?

De hecho, la tecnología ya está aquí, y hace más de ocho años que Google nos los demostró con sus primeros prototipos completamente funcionales, aunque no fueron los únicos, que conste. Desde hace unos años se han empezado a comercializar algunos coches con un "piloto automático", como por ejemplo el Tesla Model 3, el Mercedes-Benz EQC, o la Nissan Serena, por citar algunos.

La realidad es que todavía tardará unos años más en llegar el coche autónomo con funcionalidad completa (veremos cuánto tiempo). Con ciertas diferencias, y un poco más o un poco menos avanzados, los ejemplos que acabamos de citar tan solo son sistemas de conducción autónoma de nivel 2, de los 6 niveles que recoge la Sociedad de Ingenieros de la Automoción (SAE): 0 es ninguna automatización y 5 es el nivel máximo de conducción autónoma, sin que sea necesaria la presencia de un conductor.

Podemos achacar este retraso, entre otros motivos, a varios factores:

El piloto automático del avión no está pilotando completamente solo la aeronave, hay tres profesionales supervisando el vuelo: el controlador de tráfico aéreo en tierra que organiza los aviones en el aire, y los dos pilotos que programan y supervisan el autopiloto en la cabina, siendo obligatorio que como mínimo permanezca uno a los mandos, para actuar inmediatamente en caso de fallo o situación de emergencia.

En el coche autónomo se pretende que este se conduzca completamente solo, aunque el conductor esté distraído, esté leyendo, toqueteando una tablet o incluso dormido, y eso exige desarrollar sistemas y sensores a prueba de fallos. Algunos fabricantes como Volvo no se terminan de fiar demasiado, y han llegado a proponer un sistema de imanes bajo el asfalto de la calzada, algo así como balizas para que el coche se oriente, aunque no se vea nada.

En aviación existe una normativa y protocolos de seguridad y mantenimiento rigurosos, conducentes a intentar garantizar al máximo la seguridad del avión y del vuelo, además de sistemas redundantes. Hablando de coches, aunque haya revisiones ITV, siguen circulando vehículos con ciertos problemas mecánicos o eléctricos, mantenimiento inadecuado, etcétera, que restarían eficacia y seguridad a los sistemas de conducción autónoma.

En la aviación comercial se intentan tener controladas las condiciones del vuelo: hay una ruta programada, se conoce el pronóstico meteorológico actualizado en tiempo real, así como la velocidad del viento, presión del aire, etc, y el control de tráfico aéreo evitará que se produzcan encontronazos con otros aviones.

En la conducción, aunque haya normas, en realidad reina el caos y la imprevisibilidad. Hay muchos vehículos compartiendo un espacio reducido, circulando a corta distancia unos de otros, y además las vía es compartida por otros muchos usuarios, como los peatones.

En un instante pueden pasar infinidad de cosas: que un coche de un volantazo, que el vehículo que nos precede sufra un reventón en una rueda, que un animal salvaje cruce la carretera, que haya una placa de hielo en mitad de una curva, que salga corriendo de repente un niño en mitad de la calzada...

Y para que un coche autónomo que se pretende se conduzca completamente solo sea fiable y seguro, tiene que ser capaz de ver y reconocer muchas cosas cada instante, mediante radar, LIDAR, cámaras de vídeo o sensores ultrasónicos, para poder reaccionar a tiempo. Los ingenieros de Ford, por ejemplo, contaban que la computadora del sistema de conducción autónoma tiene que procesar unos 2,8 millones de datos por segundo.

Otra diferencia entre el piloto automático de un avión y el de un coche es que en general, los pilotos disponen de cierto tiempo para reaccionar cuando detectan un fallo del piloto automático o una situación de emergencia imprevisible: salvo casos excepcionales, en una situación grave el avión no va a caer y estrellarse de un segundo para otro, sino que hay segundos, incluso minutos, para que la tripulación intente recuperar el control de la aeronave o solventar la emergencia.

Sin embargo durante la conducción apenas hay tiempo para reaccionar: las situaciones de emergencia se precipitan en muy pocos segundos, uno o dos muchas veces: el sistema tiene que reconocer el riesgo, tomar una decisión y reaccionar instantáneamente. En caso de fallo del sistema de conducción autónoma, si encima el conductor no está atento porque se supone que el coche conduce solo, y además no está entrenado para saber reaccionar ante esa situación de emergencia, el accidente está casi asegurado.

En un avión los pilotos están comunicándose permanentemente por radio con el control de tráfico aéreo, y como hemos visto, con el transpondedor el avión se comunica con tierra o con otros aviones.

Esto en los coches se está desarrollando, un poco despacio todo sea dicho de paso, con los sistemas Car2Infraestructure y Car2Car, pero no se puede olvidar también la comunicación entre el coche autónomo y las personas, ya sean los conductores de otros coches que no sean autónomos, ya sea entre el coche autónomo y otros usuarios de la vía como los peatones.

En la mayoría de las ocasiones utilizamos comunicación no verbal (con gestos o miradas), que todavía es un tema complejo para los coches autónomos, y todavía se está trabajando en ello. A mediados de 2019, la Unión Europea rechazaba la propuesta de conectar los coches por WiFi, postulando al 5G como la tecnología más cerca de convertirse en el estándar para la tecnología V2V (Vehicle-to-Vehicle).

Por último no debemos obviar que el coste de un sistema de conducción autónoma supone también un freno para la implantación del mismo: ahora mismo varía entre unos 7.500 y 15.000 euros, dependiendo de la complejidad del mismo. Cierto es que con el tiempo el coste se irá reduciendo y ya hemos visto a fabricantes como DJI, Bosch o Sony empezar a ofrecer componentes más económicos para intentar acelerar la llegada del coche autónomo.

Para un avión que ya de por sí vale muchísimo dinero, por ejemplo un Airbus A320 vale unos 93 millones de euros, la proporción entre el coste del piloto automático y el coste del avión, así como la rentabilidad que se le obtiene, suponen que el coste es asumible, sin embargo en un coche, y más si hablamos de un coche de tipo medio de unos 20.000 euros, y encima teniendo en cuenta que el 97% del tiempo está aparcado sin usarse, esa cantidad es mucho dinero. Un tiempo de uso donde los fabricantes ya están planteando alternativas.

Los coches autónomos van a llegar, y no tardarán mucho, pero todo lo que se quiere hacer bien requiere su tiempo.

Fotografía | Airbus, Pyrame, Christoph Paulus, Joao Carlos Medau | Wikimedia Commons
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