“Drones: la tecnología a control remoto”

domingo, abril 15, 2018

El uso dado a los drones es muy variado, puede ir desde el entretenimiento con los drones de carreras hasta el uso comercial en aplicaciones como la agricultura, entrega, vigilancia, búsqueda y rescate. La parte estructural del dron suele ser diseñada usando materiales livianos y fuertes como la fibra de carbono. Sus hélices son seleccionadas en función de la fuerza de empuje requerida para levantar el dron junto a una carga determinada y el medio en el que va a desenvolverse.

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Los vehículos aéreos no tripulados (VANT o UAV en inglés), también llamados Drones, son aeronaves conducidas remotamente o de forma autónoma, las cuales han tomado mucho auge en los últimos años, tanto en el área de entretenimiento como comercialmente. Existen dos tipos: los de alas fijas, con morfología muy parecida a la de un avión y los de hélices rotacionales con capacidad de vuelo vertical. Los drones de ala fija tienen como característica su gran capacidad de carga, suelen alcanzar velocidades mayores, pero poseen menos maniobrabilidad y necesitan mecanismos que los catapulten o de pistas para su despegue. Por otro lado, los VANTs de hélices rotacionales no necesitan de un lugar especializado ya que pueden ejecutar despegues y aterrizajes verticales.

Poseen la característica de vuelo estacionario brindándoles la capacidad de permanecer inmóviles en el aire, con el fin de ejecutar distintas tareas. Su maniobrabilidad es mayor, pues, son capaces de volar en lugares estrechos o cercanos a edificaciones. Existe un tercer tipo de aeronave que intenta mezclar las dos morfologías antes mencionadas, alas fijas junto a rotores con capacidad de inclinación, denominados Tilt-rotores. El objetivo de estas aeronaves es brindar a un drone de alas fijas la capacidad de vuelo vertical, ya que, en cuestiones de autonomía, una aeronave de ala fija posee un mayor tiempo de vuelo y mejor capacidad de carga comparado con una de hélices rotacionales.

Un dron engloba algunas áreas de conocimiento entre las cuales se pueden mencionar la electrónica, la cual se encarga de brindarle al dron las partes electrónicas necesaria para medir variables internas y de su entorno, calcular una estrategia de control y actuar sobre él mismo. El área mecánica estudia dos aspectos importantes: el diseño de la estructura corporal del VANT con el fin de soportar las fuerzas y torques que afectan al sistema y la generación de las fuerzas de empuje y arrastre provocadas por el giro de las hélices colocadas en los rotores.

El área de sistemas de control estudia distintas técnicas para la estabilización de la aeronave en vuelo y el seguimiento de una trayectoria para drones autónomos. Usualmente se tienen tres tipos de funcionamiento: vuelo manual, vuelo asistido y vuelo autónomo. En el vuelo manual el controlador recibe del piloto la posición angular y la fuerza que los rotores deben generar, la estabilización del vehículo queda limitada a las habilidades del piloto. Por otra parte, el vuelo asistido estabiliza la aeronave en una posición angular horizontal y a una altura dada, manteniéndola estacionaria en el aire, ayudando de esta forma al piloto durante el vuelo. Finalmente, en el modo autónomo el dron pre-carga una trayectoria de vuelo dada y luego este la sigue sin intervención del piloto. Finalmente, el área de sistemas embebidos se encarga de realizar los cálculos en base a las técnicas de control para determinar a qué velocidad deben girar los motores y, adicionalmente, evalúa las distintas variables que intervienen como la posición angular y la posición transnacional.

La parte electrónica de un dron generalmente se divide en 5 bloques o módulos: propulsión, sensoramiento, comunicación, control y alimentación. Un vehículo aéreo no tripulado, en cualquiera de sus morfologías, es propulsado por un motor eléctrico brushless, cuya velocidad de giro es administrada por un circuito electrónico de control de velocidad (ESC); la velocidad angular de los motores se determina por una señal de modulación por ancho de pulso (PWM). Por otro lado, las variables rotacionales son calculadas utilizando principalmente 3 sensores; un sensor inercial, también conocido como IMU, que mide la aceleración lineal en los tres ejes coordenados (x, y, z) mediante un acelerómetro, un giroscopio para la medición de la velocidad de rotación con referencia a estos ejes y un magnetómetro para la dirección del campo magnético terrestre. La combinación matemática de estas tres medidas da como resultado la inclinación de la aeronave entorno de los ejes coordenados x, y, z conocidos como roll, pitch y yaw, respectivamente.

Por otro lado, la posición translacional del dron es calculada con un sistema de posicionamiento global (GPS) que junto con un sensor ultrasónico determinan la posición relativa al punto de partida de la aeronave. El bloque de comunicación engloba dos aspectos primordiales: el pilotaje del dron y la telemetría. El pilotaje comprende los comandos enviados al dispositivo mediante un radio control o una estación base usando radiofrecuencia. La telemetría del vehículo se refiere al envío de información sobre altura, velocidad, inclinaciones y carga de la batería hacia la estación base mediante la misma tecnología. Todos estos sensores y actuadores están conectados a una computadora central, la cual administra los sensores, calcula la señal de control y la aplica a los actuadores mientras mantiene la comunicación. La parte estructural del dron suele ser diseñada usando materiales livianos y fuertes como la fibra de carbono. Sus hélices son seleccionadas en función de la fuerza de empuje requerida para levantar el dron junto a una carga determinada y el medio en el que va a desenvolverse.

El uso dado a los drones es muy variado, puede ir desde el entretenimiento con los drones de carreras hasta el uso comercial en aplicaciones como la agricultura, entrega, vigilancia, búsqueda y rescate, entre otros. En el área de entretenimiento, las carreras de drones a través de pistas se han tornado en un aclamado deporte, una de las más importantes carreras es la “Drone Racing League” la cual ya ha celebrado algunos eventos a lo largo de Estados Unidos; adicionalmente se ha visto el crecimiento en la cobertura de eventos sociales, culturales o deportivos mediante el uso de drones y cámaras adaptadas a ellos.

En el área comercial, las dos actividades que más utilizan drones son la fotometría para el levantamiento de mapas topográficos y la agricultura de precisión, donde son utilizados para recolectar datos del estado de plantíos o realizar fumigaciones de precisión. El levantamiento de datos de plantíos se realiza a través de cámaras multi-espectrales acopladas a los drones; esta tecnología es capaz de obtener datos como índices de vegetación, conteo de plantas o daños provocados por plagas, entre otros. Sin embargo, en el último año una aplicación que ha tomado mucha fuerza es la de entrega autónoma. Algunos países como China, han comenzado a realizar entregas de paquetes en zonas rurales de hasta 33 libras; grandes empresas como Amazon, Fedex y UPS han reportado que están probando la integración de drones en su logística.

Otra aplicación novedosa de drones es en el área de incendios, donde un dron equipado con cámaras infrarrojas y térmicas logra ver a través del humo generado por las llamas, con el fin de detectar personas atrapadas en pisos superiores.