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DRONES: tecnología de alto vuelo

Drone Inspire 2 Premium del fabricante DJI Imagen tomada de: www.icases.org.ua

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Los drones se han convertido en una tecnología disruptiva, que ha experimentado un crecimiento exponencial en usos y en cantidad de aeronaves disponibles.

Las pequeñas aeronaves no tripuladas conocidas como drones fueron desarrolladas para el uso militar. Sin embargo, por sus características y a la gran cantidad de posibles usos y las ventajas que brindan, su uso se extendió al sector civil. Su potencial es enorme y el crecimiento de sus implementaciones apenas empieza.

Durante el siglo 20, las investigaciones y desarrollos en al ámbito militar permitieron también la aplicación de innovaciones tecnológicas en el campo civil. Los satélites de vigilancia permitieron los sistemas GPS, los investigadores en el sector de defensa desarrollaron protocolos de intercambio de información que fueron fundamentales para que surgiera y se desarrollara el internet;para el desarrollo de la aeronáutica civil, ha sido primordial el uso de investigaciones del campo militar. Los vehículos aéreos no tripulados, mejor conocidos como drones, entran en la misma categoría. Fueron inicialmente diseñados para propósitos de reconocimiento, posteriormente se amplió su uso en el campo civil para múltiples usos.

 

QUE SON LOS DRONES

Un drone en términos tecnológicos es una aeronave no tripulada. Más formalmente los drones son conocidos como Vehículos Aéreos no Tripulados (VANT) o (UAV - UnmannedAerialVehicles). En esencia, un drone es un robot volador que puede ser controlado de forma remota o volar de manera autónoma a través de planes de control de vuelo basados en software y sistemas que trabajan en conjunto tales como sensores y GPS a bordo. En el pasado reciente los VANT estaban más asociados con el sector militar, fueron usados inicialmente en prácticas como blancos aéreos, labores de inteligencia y más controversialmente como plataforma de armamento.

Fig. 1 .- Drones avanzado
     Fig. 1 .- Drone avanzado

Existen VANT de usos tanto civiles como comerciales, pero los primeros fueron en aplicaciones militares. Estos vehículos aéreos no tripulados, surgieron en Estados Unidos como aviones de combate denominados “Vehículos Aéreos de Combate no Tripulados (UCAV, por sus siglas en inglés). Sus primeras versiones fueron bastante básicas y debido a que sólo seguían el sistema de navegación interno, al igual que los insectos, los militares optaron por referirse a los UCAV como “drones”.

Aunque el termino drone se asocia directamente con vehículos aéreos, estos también se pueden desarrollar para actividades acuáticas y terrestres.

ASÍ ES COMO TRABAJA UN DRONE

Para describir cómo operan los drones, es necesario diferenciarlos de sus predecesores: los helicópteros a control remoto. De acuerdo con Michel Perry, ejecutivo de la empresa fabricante de drones DJI, la diferencia clave entre ambos dispositivos aéreos es que los drones tienen cierto nivel de autonomía, lo que significa que pueden volar, planear o navegar sin la intervención directa del piloto (Pullen, J.P., 2016).

Cuando el piloto está comprometido en cada fase del proceso de vuelo, técnicamente ese tipo de aeronave no es un drone. La capacidad de auto estabilización y la capacidad de mantener una posición proporcionada por GPS, es el nivel de autonomía que hace realmente a los drones un dispositivo inteligente.

Otra diferencia entre modelos aeronáuticos y drones es que estos últimos tienen rotores múltiples y aunque los helicópteros a control remoto pueden tener varios propulsores. Los drones de uso aficionado (no los operados por los gobiernos o de uso militar) requieren deestos rotores múltiples para lograr la autonomía requerida para un Vehículo Aéreo no Tripulado (UAV).

Con la disponibilidad de rotores múltiples se obtiene mayor seguridad, en caso de falla de un motor, la aeronave aún puede mantenerse en vuelo con los motores restantes que trabajaran concertadamente para compensar la pérdida. Adicionalmente, en la medida de mayor cantidad de rotores, mayor será la capacidad de despegue generada por la aeronave, lo cual permite llevar una carga pesada, esto es de utilidad cuando es necesario adicionar una cámara al drone. Finalmente, el tener más rotores permite a los diseñadores reducir el tamaño de las aspas, lo que contribuye a mejor maniobrabilidad y mayor seguridad.

Por su parte es necesario tener una fuente de energía para mantener los propulsores girando. Los drones vienen típicamente con baterías removibles que suministran cerca de 20 minutos de autonomía de vuelo, modelos más avanzados actualmente otorgan hasta 30 minutos de autonomía. Algunos modelos tienen capacidad para batería extra, lo cual duplica el tiempo de vuelo. Mayor poder significa mayor peso, lo cual es la causa del por qué los drones tiene poco tiempo de autonomía de vuelo. Sería ideal que pudieran volar por varias horas, sin embargo una batería así actuaría como un ancla y lo mantendría en tierra (Pullen, J.P., 2016).

Para poder despegar, los drones requieren un controlador, también necesario para aterrizaje o navegación. Estos controles tienen diversas formas, desde los similares a los controles de videojuegos hasta teléfonos inteligentes y tabletas. Independientemente de cómo luzcan, los controladores tienen que comunicarse con el drone y típicamente lo hacen utilizando señales de radio. Usualmente emplean la banda de radio frecuencia de 2.4 gigahertz. Para comunicarse con la aeronave, muchos controladores para drones utilizan WiFi, la cual puede transmitir también en el espectro de banda de 2.4 gigahertz.

Los drones han adoptado algunas tecnologías a bordo que fueron desarrolladas para los teléfonos inteligentes. Uno de ellos es el uso de un chip GPS en la aeronave que transmite su ubicación al controlador, éste también registra la ubicación del punto de despegue en caso que el drone necesite regresar de manera no asistida. Los sistemas de giroscopios que son cruciales para mantener la aeronave estabilizada y acelerómetros (para medir la aceleración: Tasa de cambio de la velocidad).

Los acelerómetros son muy importantes en los drones, estos dispositivos se han hecho más pequeños, más asequibles y poderosos, lo que permite recopilar y transmitir más información.

El altímetro le hace saber al drone a que altura se encuentra. Cuando se fija la posición del drone, este chip mantiene la aeronave a la altura establecida. En conjunto con el chip GPS ayudan al drone a mantener en los ejes x, z, corrigiendo el curso cuando el viento sopla fuertemente.

Todos estos sensores a bordo mantienen el drone en el aire y hacen que vuelva a tierra de la manera más segura.



BREVE VUELO SOBRE LA HISTORIA QUE CONDUJO A LOS DRONES ACTUALES

Se considera que el reconocido inventor Nikola Tesla fue el primero que vislumbró e hizo especulaciones futuristas respecto a los diferentes usos para el sistema de radio control remoto que él estaba desarrollando en aquel momento. En el año de 1898 patentó un Método de un aparato para controlar mecanismos embarcaciones y vehículos en movimiento (“Method of and ApparatusforControllingMechanism of MovingVesselsorVehicles”).

Durante la Guerra Española-Americana de 1898, el ejército de los Estados Unidos implementó cámaras a una cometa para tomar las primeras fotos de vigilancia aéreas de los sitios del enemigo. Una referencia anterior en el uso de vehículos no tripulados, tiene lugar en 1849 cuando los austriacos atacaron exitosamente Venecia con balones llenos de explosivos.

No fue sino hasta la Primera Guerra Mundial cuando los militares comenzaron a experimentar con el invento de Tesla e integrar sistemas de radio control a varios tipos de aeronaves no tripuladas. Los esfuerzos entre la Marina de los Estados Unidos y los inventores Elmer Sperry and Peter Hewitt estuvieron orientados a desarrollar un avión de radio control que pudiera ser usados como bombardero no piloteado o un torpedo volador. Crucial para este objetivo fue perfeccionar el giroscopio para estabilizar la aeronave (Nguyen, T.C., 2018).

El sistema de auto pilotaje que desarrollaron Hewitt y Sperryincluyó un giroscopio estabilizador, un barómetro para control de altitud, alas y cola radio controlada y un dispositivo que medía la distancia recorrida.

Figura 2.  Aeronave no tripulada Lockheed D-21
        Fig. 2.- Aeronave no tripulada Lockheed D-21

Teóricamente, esto capacitaría una aeronave para volar a un objetivo preestablecido y soltar una bomba o estrellarse contra el blanco establecido. La prueba de concepto animó a la Marina a invertir en el desarrollo, sin embargo después de varios lanzamientos fallidos y de prototipos destruidos el proyecto fue descartado. Por su parte el ejército de los Estados Unidos comisionó a General Motors, en la persona de Charles Kettering, a trabajar en un proyecto para un “torpedo aéreo” también hicieron partícipe a Elmer Sperry para desarrollar el sistema de guía y control del torpedo. Esta colaboración trajo como resultado el “Kettering Bug” un biplano no piloteado y controlado por computadora, programado para llevar una bomba en dirección a un blanco predeterminado. Aun cuando en 1918 la aeronave completó el vuelo de prueba, el Kettering Bug no fue usado en combate debido a las dudas respecto a cualquier malfuncionamiento una vez que alcanzara el territorio enemigo (Nguyen, T.C., 2018).

La era de la Segunda Guerra Mundial también marcó la introducción de drones en operaciones de combate. La batalla entre los Aliados y Alemania condujo al retorno del desarrollo de torpedos aéreos, los cuales ahora serían más precisos y destructivos. Uno que merece particular atención por su poder devastador fue el misil de la Alemania Nazi conocido como V-1 o “Bomba zumbadora”. Esta bomba voladora fue diseñada para blancos civiles localizados en ciudades, estaba guiado por un sistema de giroscopio auto piloteado.

Después de la Segunda Guerra Mundial las fuerzas armadas de Estados Unidos redirigieron los propósitos de los drones hacia misiones de reconocimiento. En 1951 el RyanFirebee I, tuvo la capacidad de mantenerse en vuelo durante 2 horas a una altitud de 60.000 pies. Durante el apogeo de la guerra fría, las fuerzas armadas de EEUU dieron un giro en el objetivo hacia aeronaves de espionaje, un ejemplo notable es el Mach 4 Lockheed D-21, ver figura 2.

Figura 3. DronePredator MQ-9 de la US Navy
     Fig. 3.- Drone Predator MQ-9 de la US Navy

En época más reciente, los organismos de inteligencia de Estados Unidos han utilizado drones desde el año 2000 en Afganistán para actividades de vigilancia, la CIA y el ejército unieron esfuerzos y comenzó a emplear drones armados después de los ataques de septiembre de 2001. En octubre 7 de 2001 un drone de tipo Predator armado con misiles Hellfire guiados por láser, lanzaron el primer ataque conocido en la región de Kandahar, Afganistán, (Nguyen, T.C., 2018).

Luego de estos eventos, se conoce que los UCAV tales como el PredatorMQ-9 de General Atomics ha realizado cientos de misiones, ver figura 3. En el año 2016 en Presidente de los Estados Unidos Barack Obama desclasificó información referente al uso de drones, en donde se establece que desde 2009 estas aeronaves no tripuladas han realizado 473 ataques y han aniquilado entre 2372 y 2581 combatientes.

El uso civil de drones inició a finales de la década pasada, en el año 2010 en el Show de Consumidores Electrónicos (ConsumerElectronics Show) en las Vegas, Estados Unidos, es presentado el Parrot AR, un drone de tipo cuadricóptero para usuarios civiles que era controlado a través de un Smartphone, ver figura 4.

Fig. 4.- El droneParrot AR
     Fig. 4.- El drone Parrot AR

Por su parte,un reporte del Wall Street Journalplantea que el uso extendido de drones inició en el año 2006 cuando la Agencia de EEUU de Protección de Fronteras (U.S. Customs and BorderProtection Agency), introdujo el uso de drones para actividades de vigilancia en la frontera con México, (IoT, 2018).

A finales de 2012, Chris Anderson, inició la compañía 3D Robotics Inc. (3DR), la cual se especializa en drones personales y comercializa VANTs para fotografía aérea, compañías de filmación, construcción, telecomunicaciones y compañías de seguridad pública.

A finales de 2013, Jeff Bezos el CEO de Amazon, anunció un plan para el uso comercial de drones para actividades de entrega. Sin embargo, en el año 2016 la startup Flirtey le ganó a Amazon al realizar exitosamente el despacho de un paquete a una zona residencial en Nevada-EEUU. Luego, en diciembre de 2016, Amazon despacha su primer paquete Prime Air en Cambridge, Inglaterra. Posteriormente, en California en marzo de 2017 realiza el despacho Prime Air empleando un drone, ver video Amazon Prime Air.

La educación en el sector de los drones está también en expansión, la Universidad Aeronáutica Embry-Riddle, ofrece estudios a nivel de Bachelor of Science en aplicaciones de sistemas no tripulados, un Master en ciencias en sistemas no tripulados y un título menor en sistemas aéreos no tripulados (IoT, 2018).

El uso comercial y empresarial de drones ha crecido enormemente en los últimos 10 años. Más allá de las actividades de vigilancia y entrega de paquetes, los VANTs son utilizados en labores periodísticas, búsqueda y rescate, respuestas a desastres, protección de bienes, monitoreo de vida salvaje, combate de incendios, telecomunicaciones, salud y agricultura.

CLASIFICACIÓN DE LOS DRONES

El extensivo uso que se le ha dado a los drones ha logrado desarrollar diversidad de modelos en este sector. La clasificación que se detallará en el artículo se basa en su forma, su ámbito de uso ysegún su método de control, ver figura 5.

Fig.- 5. Clasificación de los drones

Tipos de drones según su forma

Básicamente existen 2 tipos de clasificación para los drones según su forma: los de ala fija y los de ala rotatoria, ver figura 7.

Los drones de ala fija son aeronaves queposeen un despliegue de alasque le permite a la aeronave moverse en el aire y ser capaz de generar auto sustentación para mantenerse en vuelo. La estética de este tipo de drones es muy similar a lo aeromodelos de radiocontrol.

La principal característica de este tipo de drones es la autonomía de vuelo superior que ofrecen, pueden mantenerse en vuelo durante varias horas debido a su diseño aerodinámico. Los drones de ala fija pueden cubrir extensiones de terreno o recorrer grandes distancias con una única batería. En el ámbito civil son utilizados en agricultura de precisión y fotometría, en el campo militar son muy utilizados para labores de inteligencia, vigilancia y reconocimiento ya que pueden estar volando varias horas gracias a su eficiencia aerodinámica (AerialInsight, 2018).

Este tipo de drone no puede realizar vuelos estacionarios. Por lo cual no están capacitados para realizar trabajos que implique mantenerse en el aire a una altura y posición fija, como por ejemplo labores de inspección.

Los drones de ala rotatoria son conocidos como multirotores, son los de uso más extendido por los profesionales de área, ver figura 8. Los drones de ala fija consiguen sustentación en el aire por el perfil de sus alas, los multirotores generan la sustentación a través de la fuerza producida por las hélices de los rotores. Según el número de rotores, existen denominaciones para cada uno: tricópteros (3 motores), cuadricópteros (4 motores), hexacópteros y octacópteros (AerialInsight, 2018).

Este tipo de drones pueden aterrizar y despegar de forma vertical. Pueden hacerlos prácticamente desde cualquier terreno lo que los hace mucho más versátiles para diversos usos. Su principal desventaja es la autonomía de vuelo debido al consumo de energía requerido por los rotores para mantenerse en el aire. La autonomía de vuelo es de cerca de 20 minutos y en modelos más avanzados alrededor de los 35 minutos. Para realizar actividades como mapeo de grandes extensiones se requiere disponer de varios juegos de baterías.

La principal características de los drones del tipo multirrotores radica en su versatilidad, basada principalmente en que permite realizar vuelos estacionarios. De forma simple se le pueden adaptar diferentes tipos de cámaras como RGB, multiespectrales, termográficas, que permite desempeñar diversos trabajos.

Tipos de drones según su uso

Los drones militares son de exclusivo uso de los gobiernos y misiones militares, se los conoce como drones de combate. Su éxito se basa en la precisión y en el hecho que de ser derribados no existen pérdidas humanas que lamentar. Al no tener que llevar un piloto, estas aeronaves son más económicas que un avión de combate, pueden llevar más carga útil y son de mayor maniobrabilidad. Por este motivo el ejército de los Estados Unidos ya está trabajando en varios proyectos para desarrollar un UCAV que en un futuro no muy lejano podría reemplazar a los aviones tripulados en combate aéreo (Mini Drones, 2016).

Los drones de uso civil se clasifican en los de uso comercial, en este renglón se encuentran los más especializados ya que necesitan caracterísiticas especialespara dar servicios profesionales. Dentro de las actividades comerciales o profesionales se encuentran la realización de videos, fotografías, cartografía aerea, en la agricultura, inspecciones a equipos de telecomunicaciones (antenas) y en sector de petroleo (tuberías, equipos). Existen proyectos de gran potencial de uso adelantados por ejemplo por Amazon y Google para el uso de drones de reparto, aquí juega un roldecisivo las regulaciones respecto al uso en zonas urbanas.

Los de uso aficionado, este es el sector en el que más ha crecido el uso de drones y se ha convertido en un objeto de interés para los aficionados a la tecnología. La variedad en sus características hace que varíe notablemente sus precios.

Tipos de drones según su método de control

Esta clasificación corresponde al nivel de autonomía o vigilancia requerida por parte de un piloto. Los drones autónomos, al igual que han surgido vehículos autónomos, no necesitan ser controlador en tiempo real o directamente, solo requieren una ruta programada y tareas a ejecutar. Son utilizados en el área militar para sobrevuelos o como transporte de correspondencia o mercancía (Ingeoexpert, 2018).

Drones controlados remotamente, son los modelos más básicos disponibles y los primeros de su género. También son los de uso más extendido por su precio inferior. Su vuelo depende completamente deun control remoto y algunos aditamentos básicos en los drones para estabilidad y aterrizaje seguro.

Drones supervisados o monitorizados, son un intermedio entre los descritos anteriormente, pueden realizar actividades de forma autónoma y requieren supervisión de un piloto para control de despegue, vuelo o decidir previamente la ruta.

QUE ESTÁ EN EL AIRE RESPECTO A LOS DRONES

De acuerdo a la firma de consultoría PwC (2018), el valor potencial estimado del mercado global para soluciones de negocios relacionadas con drones es de US$ 127,3 mil millones. Los sectores de infraestructura, agricultura y transporte son los sectores con mejores perspectivas, ver figura 9.

ALGUNOS SECTORES QUE APROVECHARAN SU POTENCIAL DE FORMA TEMPRANA

En el caso del sector de negocios, los drones proveen las mismas funcionalidades de observación y transporte que un helicóptero pero sin los costos asociados a un piloto a bordo, esto permite llevar a cabo tareas que anteriormente eran muy costosas para ser consideradas. Por ejemplo:

Fig. 6.- Drones empleados en el sector construcción
     Fig.- 6.- Drones empleados en el sector construcción

En el futuro cercano se espera que los drones sean una herramienta de gran utilidad en labores de inspección para los trabajadores del sector construcción. Las inspecciones se enfocan en terrenos y en la construcción de edificios. Los drones usarán cámaras de alta resolución, sensores y geo localización para ubicar cualquier problema o defectos en construcción de edificios, ver figura 6.

En el sector agrícola se puede realizar la supervisión de las siembras y cosechas sin la necesidad de realizar una visita de campo.

Los dueños de ganado y animales estarían capacitados para realizar búsquedas aéreas de animales extraviados, verificar el estado de las instalaciones y labores de vigilancia.

Las fuerzas policiales y unidades de rescate pueden reforzar las misiones de rescate y búsqueda a través del uso de drones equipados con cámaras infrarrojas.

En geología se puede realizar el mapeo de extensiones de terreno o búsqueda de petróleo.

Las compañías pueden realizar inspecciones a equipos, turbinas de viento a gran altura, tuberías que son de difícil o riesgoso acceso, de igual modo estarían capacitados para realizar monitoreo de instalaciones petroleras costa afuera.

Los arqueólogos pueden crear imágenes 3D de los lugares objeto de su trabajo y realizar patrullaje en búsqueda de saqueadores.

En cinematografía tiene grandes potencialidades de uso para realizar diversidad de tomas con cámaras que nunca antes habían sido probadas.

Los grupos de ayuda en casos de desastres o campañas humanitarias pueden distribuir suministros de emergencia y medicinas en sitios remotos o de difícil acceso por ausencia de caminos.

Estos son algunas de las posibles aplicaciones que en el futuro expandirían el uso de estas aeronaves. Los drones ofrecen posibilidades extraordinarias para usuarios empresariales y privados y serán empleados de manera creciente en aplicaciones de observación. Sin embargo, el aumento en la demanda de drones a corto y mediano plazo depende de factores como regulaciones en uso, propensión a accidentes y capacidades.

En la medida en que las posibilidades de uso comerciales y privados se expanden y la tecnología ofrezca innovaciones, las regulaciones en su uso serán un factor decisivo en permitir que tan rápido o no se desarrollaran nuevas aplicaciones.

En algunos mercados las regulaciones en el uso de drones son un hecho inminente, mientras que en otros los drones entran en las mismas reglas aplicadas a aeronaves de control remoto. En los EEUU se han reportado más de 25 casi-accidentes que involucran drones y aviones piloteados, algunos de ellos aviones grandes de pasajeros. Se han reportado interferencia de drones con actividades de combate de incendios y problemas en zonas cercanas a algunos aeropuertos principales. La Administración Federal de Aviación de los Estados Unidos (FAA) ya ha publicado un plan para integrar los vehículos aéreos no tripulados en las regulaciones del espacio aéreo. Estos controles comprenderían limitaciones en la altura que los drones pueden operar, la distancia que pueden volar desde el operador, distancia entre el drone y la población y la preparación del piloto para operar este tipo de aeronave (Lee, P., 2018).

Algunas limitaciones actuales

Los drones pueden ser un reto en su manejo y actualmente son comunes choques y accidentes. Aun cuando una persona puede hacer volar un drone a minutos de ser ensamblado, hasta los pilotos experimentados pueden eventualmente perder el control de estos aparatos. Trazar el curso para un drone es relativamente simple con el uso de un mapa online y GPS, pero las señales de GPS pueden perderse si un edificio bloquea la señal o las nubes son densas e interfieren con la señal.

Aplicaciones o labores que tradicionalmente requieren inspecciones visuales o que requieren accede a partes en edificios muy altos, escalar torres eléctricas o de telecomunicaciones, sin embargo en el mediano plazo no es esperable un despliegue masivo de drones que reemplacen los vehículos actuales para despacho de productos. El uso de drones en estas actividades no sería una situación común, serian ocasionales en actividades de despacho de paquetes livianos y compactos (Lee, P., 2018).

REFERENCIAS:

AerialInsight (2018). ¿Cuántos tipos de drones existen en el mercado? Recuperado de: http://www.aerial-insights.co/blog/tipos-de-drones/

Ingeoexpert (2018). Tipos de drones: forma y método de control Recuperado de: https://ingeoexpert.com/tipos-de-drones/?v=a99877f71bd9

IoT (2018), drone (unmanned aerial vehicle, UAV) https://internetofthingsagenda.techtarget.com/definition/drone

Lee, P. (2018). Enterprises Capturing Early Potential of Drones.Recuperado de: https://deloitte.wsj.com/cio/2015/10/12/enterprises-capturing-early-potential-of-drones/

Mini Drones (2016). Tipos de drones. Recuperado de: https://www.minidrons.com/ucav-uavs-tipos-drones/

Nguyen, T.C. (2018). The History of Drones.Recuperado de: https://www.thoughtco.com/history-of-drones-4108018

La comunidad petrolera (2018). Tecnología Blockchain en la industria petrolera. https://www.lacomunidadpetrolera.com

Pullen, J.P. (2016). This Is How Drones Work. Recuperado de: http://time.com/3769831/this-is-how-drones-work/

PwC (2019).Clarity from above.Recuperado de: https://www.pwc.pl/en/publikacje/2016/clarity-from-above.html

Autor

Lenin Simancas

MBA egresado del IESA – Venezuela. Ingeniero de Sistemas por la Universidad de los Andes – Venezuela. Amplia experiencia en proyectos para el negocio de petróleo y gas. Administración de bases de datos. Áreas de interés: Gerencia de Proyectos, economía, finanzas del negocio petrolero y energía alternativas. Email: Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.