Ampliación y mejora de un sistema de anticolisión y direccionamiento automático en un entorno 3D

Abstract

Desde tiempos remotos, el ser humano ha intentado crear artefactos que le facilitasen las tareas manuales que tiene que realizar en su vida diaria. Ya en los primeros momentos del hombre en la tierra, éste inventaba herramientas básicas que le ayudaban a cazar y a realizar de una manera más cómoda las tareas cotidianas. Desde entonces y hasta nuestros días, el hombre no ha parado de inventar útiles. Se han conseguido grandes avances en el mundo, quizá gracias a nuestra razón o seguramente a la falta de la misma, tal y como decía George Bernard Shaw en su famosa cita “El hombre razonable se adapta al mundo y el no razonable intenta adaptar el mundo a su gusto. Por eso el progreso depende de los hombres no razonables”.
Con el tiempo, el ser humano ha tenido muchas necesidades que ha ido cubriendo gracias a la cualidad más importante que posee y que, además, le diferencia del resto de seres vivos que pueblan la tierra: la inteligencia. Una de estas necesidades ha sido desplazarse de un lugar a otro del mundo. En la antigüedad, esta necesidad surgía del hecho de tener que trasladarse de unos lugares a otros en busca de alimento. En la actualidad, se viaja por placer, por motivos relacionados con nuestra vida laboral, etc.
La necesidad de desplazarse de un lugar a otro de la tierra llevó al hombre a plantearse el sueño de volar en un momento de la historia. El primer vuelo con éxito fue precedido de siglos de sueños, estudio, especulación y experimentación. Existían viejas leyendas con numerosas referencias a la posibilidad de movimiento a través del aire. Ciertos sabios antiguos creían que para volar sería necesario imitar el movimiento de las alas de los pájaros o el empleo de un medio como el humo u otro más ligero que el aire. Hacia el siglo V de nuestra era se diseñó el primer aparato volador: la cometa o papalote.
En el siglo XIII el monje inglés Roger Bacon, tras años de estudio, llegó a la conclusión de que el aire podría soportar un ingenio de la misma manera que el agua soporta un barco. A comienzos del siglo XVI, Leonardo da Vinci analizó el vuelo de los pájaros y anticipó varios diseños que, después, resultaron realizables. Entre sus importantes contribuciones al desarrollo de la aviación se encuentra el tornillo aéreo o hélice y el paracaídas. Concibió tres tipos diferentes de ingenios más pesados que el aire: el ornitóptero, máquina con alas como las de un pájaro que se podían mover mecánicamente; el helicóptero, diseñado para elevarse mediante el giro de un rotor situado en el eje vertical y el planeador, en el que el piloto se sujetaba a una estructura rígida a la que iban fijadas las alas diseñadas a imagen de las grandes aves. Leonardo creía que la fuerza muscular del hombre podría permitir el vuelo de sus diseños. La experiencia demostró que eso no era posible. Fue una figura muy importante porque aplicó por primera vez técnicas científicas para desarrollar sus ideas.
Con el tiempo, esta primera idea de volar para desplazarse de un punto a otro, fue degenerando hasta el punto de que el ser humano empezó a ver los aviones, no como un instrumento para desplazarse sino, como un método para provocar daño al enemigo ante una posible situación de conflicto. De ahí, que durante la Primera y la Segunda Guerra Mundial, la aviación experimentase un gran avance.
Tras la Segunda Guerra Mundial, los experimentos en el campo del diseño aerodinámico, de los nuevos metales, nuevas plantas de potencia y avances electrónicos trajeron el desarrollo de los aviones turborreactores de alta velocidad, diseñados para vuelos transoceánicos, vuelos supersónicos, aviones-cohete experimentales, aviones de despegue corto o vertical y cohetes espaciales.
Con la aparición de la informática, la aviación, como casi todas las áreas científico-técnicas, experimentó un gran avance. El ser humano en la segunda mitad del siglo XX, gracias al gran desarrollo de la computación y de la Inteligencia Artificial, logró algo histórico: la posibilidad de que los útiles que inventaba estuvieran compuestos por sistemas informáticos basados en modelos computacionales inspirados, a su vez, en modelos biológicos. Es decir, el ser humano ha buscado crear sistemas que imiten de alguna manera la forma de pensar del hombre. A estos modelos se les denomina modelos bioinspirados y son un campo muy amplio e importante dentro de la Inteligencia Artificial, un área de la informática que se describe a continuación.
La Inteligencia Artificial, en adelante IA, se define como aquella inteligencia exhibida por artefactos creados por humanos (es decir, artificial). A menudo se aplica hipotéticamente a los computadores. El nombre también se usa para referirse al campo de la investigación científica que intenta acercarse a la creación de tales sistemas. La IA es una de las áreas más fascinantes y con más retos de las ciencias de la computación, en su área de ciencias cognoscitivas. Nació como mero estudio filosófico y racional de la inteligencia humana, mezclada con la inquietud del hombre de imitar la naturaleza circundante (como volar y nadar), hasta inclusive querer imitarse a sí mismo. Sencillamente, la IA busca el imitar la inteligencia humana. Obviamente no lo ha logrado todavía, al menos, no completamente.
Por dar una pincelada histórica acerca de la IA, podemos decir que en 1903 Lee De Forest inventa el tríodo (también llamados bulbo o válvula de vacío). Podría decirse que la primera gran maquina inteligente diseñada por el hombre fue el computador ENIAC, compuesto por 18.000 válvulas de vacío, teniendo en cuenta que el concepto de "inteligencia" es un termino subjetivo que depende de la inteligencia y la tecnología que tengamos en esa época. Un indígena del Amazonas en el siglo 20 podría calificar de inteligente un tocadiscos, cuando en verdad no lo es tanto.
En 1937, el matemático inglés Alan Mathison Turing (1912-1953) publicó un artículo de bastante repercusión sobre los "Números Calculables", que puede considerarse el origen oficial de la Informática Teórica. En este artículo, introdujo la Máquina de Turing, una entidad matemática abstracta que formalizó el concepto de algoritmo y resultó ser la precursora de las computadoras digitales. Con ayuda de su máquina, Turing pudo demostrar que existen problemas irresolubles, de los que ningún ordenador será capaz de obtener su solución, por lo que a Alan Turing se le considera el padre de la teoría de la computabilidad. También se le considera el padre de la IA, por su famosa Prueba de Turing, que permitiría comprobar si un programa de ordenador puede ser tan inteligente como un ser humano.
En 1951 William Shockley inventa el transistor de unión. El invento del transistor hizo posible una nueva generación de computadoras mucho más rápidas y pequeñas. En 1956, se acuñó el término "inteligencia artificial" en Dartmouth durante una conferencia convocada por McCarthy, a la cual asistieron, entre otros, Minsky, Newell y Simon. En esta conferencia se hicieron previsiones triunfalistas a diez años que jamás se cumplieron, lo que provocó el abandono casi total de las investigaciones durante quince años.
En 1980 la historia se repitió con el desafío japonés de la quinta generación, que dio lugar al auge de los sistemas expertos, pero que no alcanzó muchos de sus objetivos, por lo que este campo ha sufrido una nueva detención en los años noventa.
En 1987 Martin Fischles y Oscar Firschein describieron los atributos de un agente inteligente. Al intentar describir con un mayor ámbito (no solo la comunicación) los atributos de un agente inteligente, la IA se ha extendido a muchas áreas que han creado ramas de investigación, enormes y diferenciadas. Los agentes inteligentes tienen actitudes mentales tales como creencias e intenciones, poseen la capacidad de obtener conocimiento, es decir, de aprender y además pueden resolver problemas, incluso particionando problemas complejos en otros más simples. Adicionalmente, los agentes poseen la capacidad de dar sentido, si es posible, a ideas ambiguas o contradictorias e incluso son capaces de planificar, predecir consecuencias y evaluar varias alternativas. También tienen gran originalidad, creando incluso nuevos conceptos o ideas, y pueden generalizar, percibir y modelar el mundo exterior, e incluso entender y utilizar el lenguaje y sus símbolos.
Una vez conocido el concepto de IA y algo de su historia, es posible darse cuenta de que la IA incluye características humanas tales como el aprendizaje, la adaptación, el razonamiento, la auto-corrección, el mejoramiento implícito y la percepción del mundo. Así, podemos hablar ya no sólo de un objetivo, sino de muchos dependiendo del punto de vista o utilidad que pueda encontrarse a la IA.
De todas las características humanas que incluye la IA, es necesario centrarse en una de ellas, por su importancia y por la relación directa que tiene con el presente proyecto: el aprendizaje. El aprendizaje es el proceso de adquirir conocimiento, habilidades, actitudes o valores, a través del estudio, la experiencia o la enseñanza; dicho proceso origina un cambio persistente, medible y específico en el comportamiento de un individuo y, según algunas teorías, hace que el mismo formule un constructor mental nuevo o que revise uno previo (conocimientos conceptuales como actitudes o valores).
Está estrechamente unido a la experiencia, pues, al interactuar con el entorno, el individuo adquiere conocimiento por medio de la experiencia que ello supone. También está unido al desarrollo humano: afecta y se ve afectado por los cambios biológicos y físicos, psicológicos, de personalidad, de valores, etc.
El objetivo de los sistemas que emplean IA es el de simular de alguna manera la inteligencia humana mediante la adquisición del conocimiento. Desde que existen los sistemas inteligentes, se ha buscado que la adquisición de conocimiento la realizasen de manera automática. De ahí surge el concepto de “Aprendizaje Automático”, parte de la IA que reúne una serie de técnicas y conceptos para construir sistemas que aprendan por sí mismos. Esta tarea ha sido tradicionalmente uno de los objetivos más escurridizos de la IA. Según Herbert Simun un sistema está basado en Aprendizaje Automático cuando es capaz de ejecutar la misma tarea con mayor eficacia para la siguiente ocasión, gracias al conocimiento que ha adquirido por sí mismo.
El aprendizaje es tan esencial en la inteligencia que su papel en la IA quizás no ha hecho más que asomar como punta de iceberg. Los autores varían enormemente, no sólo al definir lo que es aprendizaje automático, síndrome que también se vio existía con las definiciones de IA, sino también al agrupar los diferentes tipos de éste y realizar clasificaciones. Desde un punto de vista didáctico, se pueden agrupan los siguientes tipos de Aprendizaje Automático:
• APRENDIZAJE A PARTIR DE LA OBSERVACIÓN Y LA EXPERIENCIA.
Son formas de aprendizaje en las que de forma inductiva y sobre la base de ejemplos se establecen reglas de síntesis.
• REDES DE NEURONAS ARTIFICIALES. REDES DE CREENCIA.
Consisten en formas de aprendizaje por procedimientos no lineales y subsimbólicas las primeras de alguna forma bioinspiradas.
• APRENDIZAJE POR REFUERZO.
Son métodos de aprendizaje en los que existe información retroalimentada sobre los resultados de la acción del agente. Forman el área principal donde se desarrollará gran parte de este proyecto.
• APRENDIZAJE CON CONOCIMIENTO PREVIO.
Son formas de aprendizaje en las que se utiliza de forma aditiva los conocimientos existentes y los que el agente vaya adquiriendo.
Si se unen todos los conceptos introducidos hasta el momento (el deseo del ser humano por volar, la capacidad de crear artefactos, la IA, los modelos bioinspirados y el Aprendizaje Automático), tendremos el marco de trabajo en el que se ha desarrollado el presente proyecto. Se trata de perfeccionar, basándose en el algoritmo propuesto por Santiago Álvarez de Toledo en su Tesis Doctoral “MAGENTA: Marco General de Trabajo del Aprendizaje”, un sistema (ya existente) que permite evitar las colisiones de los aviones, tanto entre ellos como con cualquier otro obstáculo, y reconducirlos de forma completamente automatizada.
La idea es que el sistema se activaría cuando los recursos del piloto y del Control del Tráfico Aéreo no fueran suficientes para detectar y evitar un posible accidente, e incluso, en el supuesto caso de que las decisiones tomadas fueran erróneas. Así, el dispositivo, encauzaría la nave de forma automática por el camino trazado en el plan de vuelo inicial. El proyecto podría servir para evitar siniestros como el del "Yakolev 42" (tragedia en la que perdieron la vida 62 soldados españoles), para impedir que un secuestrador tome los mandos del aparato y para conocer y esquivar una zona con condiciones climatológicas adversas. Se trata de un sistema de seguridad adicional que garantizaría una respuesta adecuada ante un imprevisto.
Asimismo, hay que destacar que existe una gran diferencia entre el nuevo dispositivo y los pilotos automáticos actuales, que proporcionan la información a la tripulación pero que exigen una reacción a tiempo. También podría servir para evitar ataques terroristas como los sufridos en Estados Unidos sobre las Torres Gemelas. Ojalá, con el desarrollo del presente proyecto y otros similares, se consiga “salvar muchas vidas evitando accidentes o el uso malintencionado de las aeronaves”.