Interfaz para misiones multi-UAV con ajuste del nivel de autonomía

Abstract

Los vehículos aéreos no tripulados (Unmanned Aerial Vehicles) están convirtiéndose en una parte esencial para las fuerzas armadas, que cuentan con extensos programas para el desarrollo de sistemas robóticos. Además, existen aplicaciones civiles tales como intervenciones en zonas de desastre, búsqueda y rescate, monitorización ambiental, etc. El número de vehículos no tripulados que se utilicen simultáneamente puede llegar a ser inmanejable individualmente. Es por ello que sería deseable designar a un solo operador para supervisar los múltiples UAVs. Sin embargo, el hecho de poseer sistemas con comportamientos automatizados puede traer una serie de problemas, entre los que se encuentran una dependencia excesiva, degradación del conocimiento de la situación (Situational awarness) y la consecuente pérdida de habilidades para realizar las tareas de forma manual cuando estos sistemas fallen.
Se va a centrar el proyecto sobre un sistema automatizado en particular, las interfaces gráficas. Para diseñar un sistema de este nivel hay que hacerlo en base a las características mencionadas en el párrafo anterior, teniendo en cuenta las aptitudes del operador que va a encargarse del pilotaje y de la carga de trabajo que se requiere para el mismo, entre otras cosas.
El presente proyecto tiene como objetivo el desarrollo de varios prototipos de interfaz para el control de una flota de drones (UAVs) en una misión de vigilancia y extinción de incendios. Estas interfaces deben implementar diferentes niveles de autonomía y métodos de comando para permitir al operador seleccionar el que más se adapte a sus exigencias y mayor rendimiento consiga en la misión.
Las interfaces se probarán en un simulador desarrollado en Unity, programa utilizado para hacer videojuegos, ya que permite crear entornos en tres dimensiones, con texturas diferentes para cada objeto e iluminación en directo, sin necesidad de renderizado. El entorno de simulación simula un entorno natural con montañas, bosques, llanuras y un río.
La misión que se desarrolla en este simulador consiste en que en este entorno tridimensional aparecen dos incendios de forma aleatoria en cuanto a tiempo y lugar. Una flota de tres UAVs debe encontrarlos y extinguirlos en un tiempo menor de 5 minutos. Para ello, deben cargar previamente su tanque de agua en la zona rectangular delimitada por las cuatro boyas en el río.
Para el desarrollo de las interfaces, se utiliza el entorno de diseño de Visual Studio, un programa que facilita la labor de programar gráficamente, mediante la posibilidad de diseñar la interfaz de manera gráfica, con la ayuda de Windows Forms. Una vez diseñada, se programan las funcionalidades internas en el lenguaje C#, un lenguaje relativamente similar a C++ y Java.
Se realizan dos prototipos de interfaces con distinto nivel de autonomía, pero con una misma base. En ambas interfaces se opta por la utilización de un mapa en el que mostrar la información relevante sobre la misión y su transcurso. Además, ambas deben mostrar imágenes en directo de los UAVs y dar opción al operador de elegir la que más convenga en cada momento. También, deben mostrar información de importancia que no pueda ser mostrada en el mapa, como puede ser el nivel de batería de cada UAV o el estado del tanque de agua de cada dron.
La primera interfaz, la interfaz por puntos, posee un bajo nivel de automatización, ya que permite al usuario decidir cada movimiento de los UAVs. El funcionamiento es sencillo y su comprensión bastante intuitiva.
En la parte izquierda de la interfaz se encuentra el mapa, el tiempo de juego, y el estado de las comunicaciones. En el mapa pueden observarse distintos símbolos: una batería que indica que en ese lugar el UAV puede cargar su batería, un grifo entre las cuatro boyas amarillas que indica que en ese lugar el UAV puede cargar el tanque de agua y por último una flecha para cada UAV que representa su posición y orientación. Cuando el UAV pasa a menos de 300 metros de un incendio, se da por supuesto que se ha detectado, y el fuego aparece en el mapa en su posición.
En la parte derecha de la interfaz pueden verse varios indicadores y botones. Los tres botones de la parte superior sirven para seleccionar uno de los tres UAVs que se controla con el cuadro “Universal Controls”, indicándose con un color verde cuál de ellos quiere comandarse. En él, el operador debe introducir la altura a la que se desea enviar el UAV, pulsar en el mapa la ubicación a la que desea mandarlo y, por último, pulsar el botón “Send after click”, el cual envía la orden de movimiento al simulador. El botón “Charge/Discharge” debe pulsarlo el usuario cuando se encuentre en la zona de recarga del tanque de agua para llenar dicho tanque, o cuando se encuentre encima de un incendio para proceder a su extinción. Siguiendo con la descripción de la interfaz, se observan indicadores del estado del tanque (Vacío o Lleno) y de la batería. Con una barra progresiva vertical se informa de la altura del UAV sobre el suelo. Por último, en la parte inferior el usuario puede elegir la perspectiva que más le corresponda de las imágenes en directo de cada UAV.
En el caso de la segunda interfaz, la interfaz por tareas, el nivel de automatización es mayor. La apariencia visual de esta nueva interfaz es la misma que la de la primera. Lo que cambia es la manera de controlar los UAVs según las tareas que se deseen enviar por parte del operador. Se implementan dos tipos de tareas: Surveillance y Scout. Para distinguir en la interfaz cuando el operador quiere uno u otro, existen dos botones excluyentes entre ellos en la parte superior central de la interfaz.
Cuando el operador elige el modo Surveillance, lo hace para dedicar el UAV seleccionado a barrer cuidadosamente un área determinada siguiendo una trayectoria en zigzag.
La diferencia con la interfaz por puntos es que ahora el operador debe pulsar en el mapa en las dos ubicaciones que quiere para dos vértices opuestos del rectángulo. Una vez los tiene pulsados, se dibuja el rectángulo correspondiente y el operador ya puede pulsar “Send after click”.
En el caso de que el operador elija el modo Scout, está optando por un modo de reconocimiento, es decir, quiere controlar una zona dando algunos puntos por los que tiene que pasar el UAV. Así, ahora, una vez seleccionada la altura de comando, el operador debe pulsar cuatro veces en los puntos del mapa por los que quiere que pase el UAV. Tras esto, si pulsa “Send after click”, se envia la orden al simulador.
Por último, una vez concluidos los dos prototipos de interfaz, se procede a probar la efectividad de cada una en la misión del simulador. Para ello, se tiene en cuenta la distribución del tiempo de uso de cada UAV, el tiempo que tarda el usuario con cada interfaz en localizar y extinguir cada uno de los incendios y el número de accidentes que se provocan en cada interfaz. A la vista de los resultados, se concluye que para el tipo de misión solicitada es más adecuada la interfaz por puntos por su bajo nivel de automatización, permitiendo al operador la libertad necesaria para rastrear rápidamente el entorno, sin necesidad de utilizar la interfaz por tareas, y siendo posible hacerlo con los tres UAVs simultáneamente.
Hay que corregir algunos detalles en las interfaces para conseguir reducir el número de accidentes y así mejorar el rendimiento. También es deseable probar las interfaces con un gran número de operadores para analizar los puntos fuertes y débiles de cada una. Estas interfaces abren la puerta a la creación de sistemas más versátiles, en las que las características de la misión pueden ser configuradas libremente y en las que se puede elegir el nivel de autonomía deseable para cada tipo de misión. Además, se podría aumentar considerablemente el número de tareas, todas adaptables al tipo de misión exigidas.