Diseño de un sistema de tráfico para coches voladores

Piloto real aquí.

Aquí están las reglas de gestión del tráfico aéreo para lo que llamaré "Espacio aéreo Clase V":

1. El espacio aéreo de Clase V generalmente solo existe en las áreas urbanas más congestionadas de los Estados Unidos, donde los procedimientos normales de tráfico aéreo no pueden soportar el alto volumen de tráfico VTOL. El espacio aéreo Clase V generalmente consiste en la región entre 1000 y 3000 pies AGL. En áreas urbanas más congestionadas, la Clase V puede existir entre 1000 y 5000 pies AGL, con límites más altos para la velocidad aérea en la región entre 3000 y 5000 pies. El Tráfico Aéreo por encima del espacio aéreo de Clase V se ajustará a las reglas de vuelo VFR o IFR, cualquiera que sea la clasificación del espacio aéreo, ya sea Clase B, C, D o E.
2. El tráfico aéreo dentro del espacio aéreo de Clase V debe viajar entre 100 y 150 nudos, con la altitud asignada a la pista magnética de la aeronave de manera que a niveles impares de 1000 pies (por ejemplo: a 1000, 3000 y 5000 pies) la aeronave debe viajar hacia el norte ( 0 grados). A medida que la aeronave sube (o desciende), debe ajustar el rumbo de su trayectoria magnética en tierra para mapear la altitud a la que se encuentra, de modo que cuando haga un giro ascendente a la derecha (o un giro descendente a la izquierda), su altitud sea una par múltiplo de 1000 pies en el instante en que se dirige al Sur (180 grados). Esto permite que la aeronave realice un giro ascendente estándar de 3 grados por segundo a 1000 pies por minuto mientras solo entra en conflicto con otras aeronaves, ya sea directamente delante o detrás de ella. Las aeronaves deben ceder el paso a las aeronaves en conflicto en el frente pasando por la derecha.
3. El tráfico aéreo por debajo de los 1000 pies y por encima de los 700 pies no excederá los 100 nudos y deberá ceder el derecho de paso a cualquier otra aeronave a su derecha.
4. El tráfico aéreo por encima de los 400 pies y por debajo de los 700 pies AGL no deberá exceder los 50 nudos.
5. El tráfico aéreo por debajo de los 400 pies no deberá exceder los 25 nudos.
6. Las aeronaves que aterrizan tienen derecho de paso sobre las aeronaves que aterrizan en vertipads.
7. En el espacio aéreo Clase V, la separación se mantiene utilizando técnicas visuales de ver y evitar y telemetría ADS-B. Los conflictos se manejan utilizando procedimientos estándar de derecho de paso aeronáutico.

¡Y ahí tienes!

Probablemente tomaría el resto de mi noche proporcionar el cálculo de por qué esto funciona y no requiere nada más. En resumen, tener acceso al volumen de aire por encima incluso de una gran ciudad supera con creces la densidad de tráfico que tendría que existir para requerir una solución de gestión más compleja. La congestión del tráfico con automóviles es el resultado de su naturaleza dimensional 1.5: en un automóvil, solo puede avanzar y posiblemente cambiar de carril. Nos gusta esto como controladores porque hace que todos los vectores de colisión posibles colapsen solo en unas pocas direcciones posibles. Las reglas modernas de tráfico de aeronaves también hacen algo de lo mismo. (Ver este enlace y este enlace ).

Al asignar la altitud al rumbo, colapsamos los posibles vectores de colisión solo hacia adelante y hacia atrás. Este método funcionaría muy bien para el área urbana promedio. En áreas donde la densidad de tráfico es mucho más alta, tendría sentido tener zonas de "ascenso" y zonas de "descenso" en las que todavía se sigue el mapeo, pero además solo se permiten giros estándar de ascenso o descenso. De lo contrario, las aeronaves pueden volar en línea recta entre puntos; llegar al rumbo deseado solo requiere que hagas un círculo ascendente/descendente hasta que apuntes hacia donde quieres ir.

El método de mapeo de altitud funciona muy bien para los vehículos que intentan moverse, pero ¿cómo manejamos el despegue y el aterrizaje? Esto requiere que eliminemos el requisito de mapeo para las regiones donde ocurren las operaciones de despegue y aterrizaje. Para resolver el riesgo de colisión, restringimos considerablemente la velocidad de crucero. Al restringir la velocidad de vuelo en la capa inferior cerca del suelo, cualquier conflicto que pueda resultar en una colisión ocurrirá lo suficientemente lento como para que uno o ambos pilotos puedan reaccionar con amplio espacio. La velocidad de aproximación en el peor de los casos es de 50 nudos para una situación de frente por debajo de los 400 pies y de 100 nudos para la región de 400 a 700 pies.

La transición a la capa más concurrida y rápida desde las capas inferiores requiere comenzar con un rumbo norte a medida que su aeronave pasa a través de 1000 pies AGL. Las aeronaves que ascienden a este nivel tenderán a alinearse hacia el norte a medida que se acerquen a los 1000 pies, momento en el cual deben estar viajando al menos a 100 nudos y como máximo a 150 nudos. Por lo tanto, cualquier conflicto ocurre a 50 nudos por delante o por detrás.

En el caso de una aeronave en transición a la capa lenta de 1000 a 400 pies, la aeronave se desviará del norte a varios rumbos aleatorios. Los posibles vectores de conflicto se expanden a un campo de visión de 360 ​​grados (un conflicto puede provenir de cualquier dirección), pero cuando estas aeronaves hayan descendido a 400 pies, solo deberían estar viajando a 25 nudos, lo que nuevamente produce velocidades de conflicto de solo 50 nudos

La característica más importante de este enfoque es que los ocupantes del vehículo tienen el control y tienen plena competencia y capacidad para tomar decisiones basadas en lo que les dicen sus instrumentos y sus ojos. Siempre me han molestado mucho los diversos inventores y futuristas que piensan que volar solo debe ser manejado por sistemas automatizados, con los ocupantes a su merced. Volar es un talento y una libertad que la persona promedio puede dominar y debería poder disfrutar.

Hice un programa de computadora en mis días de universidad de arquitectura para probar esta misma hipótesis.

Como descubrí, el mejor sistema es muy simple: su dirección es una relación lineal directa con su altitud.

Creé una serie aleatoria de edificios altos y poblé todo el cielo en todas las altitudes con autos voladores. Después de probar complicados algoritmos de detección de colisiones, 'flujos', bloques, intersecciones y otros, he descubierto que la solución más simple es que a medida que asciendes, también giras en el sentido de las agujas del reloj. Todos tienen la misma dirección en cada altitud.

Fue asombroso y maravilloso de contemplar, porque:

• no hubo colisiones: a cualquier altura, todos van en la misma dirección.
• todo lo que necesita ver es la velocidad y quién está frente a usted, tal como lo hacemos ahora en una autopista.
• si necesita subir, gira en el sentido de las agujas del reloj a medida que avanza
• si necesita descender, gire en sentido antihorario a medida que avanza
• puede encontrar su camino a cualquier punto en el espacio, ascendiendo a la altitud correcta, luego haciendo una 'línea b' hasta el punto, y luego girando en espiral a la altitud correcta. Usted puede acceder a todos los puntos del cielo.
• para obstáculos (como un edificio), el flujo rodeará el obstáculo, incluso esto no presenta choques. Por ejemplo, si su camino se encuentra con un rascacielos, todos descienden o ascienden (lo que sea más fácil) para cambiar su dirección alrededor del obstáculo, siempre dentro de la regla, luego ascienden o descienden cuando pasan el obstáculo, siguiendo el camino original. Fácil. Con mil autos, todos fluían alrededor de los edificios como el agua, sin una sola colisión.
• SIN REGLAS DE TRÁFICO, es decir. no hay cosas complicadas como 'ceda el paso a la derecha' o 'deténgase en las intersecciones' o incluso 'mire por encima del hombro'. Simplemente siga la regla de que su dirección gira con su altura.
• SIN SISTEMA DE TRÁFICO COMPLICADO, no se necesita una autoridad centralizada, no se necesita comunicación entre automóviles
• era crudo, tonto y simple, justo lo que la gente puede entender y es completamente infalible.

Grité de alegría después de descubrir la solución y pensé 'sí, esto podría funcionar, ¡si alguien pudiera inventar un auto volador!'.

El mejor plan no consistiría en carreteras, intersecciones, luces, señales, etc. En cambio, un sistema de control de vuelo (como la FAA) sería el sistema ideal. Incluso suponiendo que los automóviles sean conducidos por humanos, puede ingresar el destino en el automóvil, que luego usa computadoras para registrar un plan de vuelo. A continuación, sigue el plan de vuelo.

Las señales reales serían las señales de destino, seamos honestos: Walmart y Victoria's Secret se ven iguales desde arriba, pero tienes que ir a ellos por diferentes razones. El estacionamiento y los despegues necesitarán señales que indiquen la cantidad de espacios de estacionamiento disponibles, en qué piso puede aterrizar, etc. Ahí es donde realmente radicará la complejidad. La carretera abierta estará verdaderamente abierta, excepto en la mente de una computadora.