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Aplicaciones Civiles de los Vehículos Aéreos No Tripulados (VANT) / Unmanned Aerial Vehicles (UAV)
Conocidos popularmente como ‘Drones’ (nombre heredado de los vehículos militares a control remoto usados como blancos de tiro) estas aeronaves en español se denominan actualmente VANT (Vehículos Aéreos No Tripulados) o SANT (Sistemas Aéreos No Tripulados); mientras que en Ingles reciben nombres como UAV (Unmanned Aerial Vehicles), UAS (Unmmaned Aerial Systems), RPVs (Remotely Piloted Vehicle), RPAS (Remotely Piloted Aircraft Systems) o simplemente UAs (Unmanned Aircraft); nombres que distinguen entre solo la aeronave o el sistema completo que se requiere para volarla y operarla.
Estas definiciones sugieren la ausencia de tripulación en el vehículo, mas no necesariamente son sinónimo de autonomía. La condición de ‘no tripulado’ no excluye la existencia de un piloto, controlador de misión y/u otros operadores, que realizan su trabajo desde tierra. Cuando son totalmente autónomas, son denominadas Aeronave Autónoma o Sistema Aéreo Autónomo (AAS, Autonomous Aerial System). Constituyen Robots Aéreos, capaces de desplazarse de manera autónoma o semiautónoma por el aire, para realizar diferentes misiones laboriosas, difíciles, y hasta peligrosas, a un costo comparativamente bajo.
Un sistema completo SANT / UAS incluye, además de la aeronave, los sistemas de telecomunicación de comandos de vuelo y datos, el sistema de telemetría, el piloto automático, las cámaras/sensores y/o equipo adicional de abordo; y el equipo de tierra de comunicaciones y de comando; y de lanzamiento/recuperación, de ser el caso este último.
A los VANT / UAVs los podemos dividir en 2 clases: Pasivos y Agresivos. Los pasivos son los VANT / UAVs de Inteligencia, Vigilancia y Observación (ISR en Inglés), y los de telecomunicaciones. Los agresivos son los VANT / UAVs armados.
Presentes desde hace mucho en el mercado militar, los VANT / UAVs hicieron su aparición en el mercado civil en Japón en la década de los 80s, en la forma de un helicóptero radio-controlado agrícola de la firma Yamaha que se ha continua desarrollando y produciendo actualmente con el nombre de Rmax. Su uso ha permitido el desarrollo de sembradíos de alto valor en campos de difícil acceso, generalmente en tierras con mucha inclinación, rociando pesticidas y nutrientes especializados, en algunos casos reemplazando la labor que tenía que hacerse a mano con un costo extremo, o con helicópteros tripulados que eran iguales de caros pero más rápidos que la mano de obra.
Otra de las pocas áreas donde han incursionado en el mercado civil es en la filmografía, siendo notables sistemas como el Flying-Cam, cuyo equipo de trabajo, que incluye a un ingeniero venezolano, el cual ganó un Oscar este año. Más fuera de estas experiencias, ha sido poca la presencia de los VANT / UAVs civiles.
Esto cambiará radicalmente a partir de finales del 2015. La prestigiosa revista “Scientific American” menciona un estudio que pronostica unos 20,000 drones volando sobre los EUA, para el año 2020. El cambio se debe a que EUA, así como la Comunidad Europea y Australia, están en una carrera para establecer la reglamentación necesaria para garantizar cierto nivel de seguridad aceptable para permitirles volar en el espacio aéreo compartido con las aeronaves tripuladas. El interés porque puedan volar para la aviación civil es enorme, ya que se prevé un gran mercado para muchas aplicaciones de utilidad, generando mucha actividad económica, que según AUVSI (Association for Unmanned Vehicle Systems International) es del orden de los $82,000 millones de dólares en los próximos 10 años.
Tipos de VANT / UAV
Para entender mejor su potencial de uso civil, veamos algunas clasificaciones y usos de los VANT / UAV:
La manera más simple de clasificar los VANT / UAV se basa en el tipo de aeronave, lo que también da una idea de su facilidad y versatilidad de operación. Están las de despegue vertical (VTOL, Vertical Take-Off and Landing), las cuales incluyen las de alas rotativas o hélice como son los helicópteros, quadcópteros, hexacópteros, etc; y los que no son de despegue vertical tales como las de ala fija (aeroplanos). Actualmente se han desarrollado también unos modelos híbridos VTOL / Ala Fija, que combinan las capacidades de ambos.
Algunos tipos de aeronaves usadas en los VANT / UAV
AV-2 Pelican VTOL. Este modelo es una muestra de un hibrido entre quadracoptero y avión ala fija, permitiendo el despegue y aterrizaje vertical, eliminando la necesidad de pistas, y manteniendo la mayor autonomía de vuelo del ala fija, y una notable capacidad de carga de pago. Imagen cortesía de Aerovantech / Dronetech.
Las prestaciones y por lo tanto sus aplicaciones varían de una aeronave a otra, ofreciendo un espectro de aplicabilidad diferente. La siguiente tabla muestra una escala de las prestaciones según tipo de aeronave:
Características de los principales tipos de aeronaves VANT / UAV (Clic para agrandar)
En relación a sus capacidades de vuelo (alcance, altitud, autonomía), la AUVSI (Association for Unmanned Vehicle Systems International) ofrece la siguiente clasificación. En la actualidad, la mayoría de los UAV se encuentran en las categorías Mini, donde destacan los helicópteros, y Alcance Medio (MR), donde es más ampliamente usado el aeroplano:
Clasificación de los VANT / UAV por sus capacidades de Vuelo (Clic para agrandar)(Incluye civiles y militares) (AUVSI, EUA)
Otra clasificación importante y que tendrá mucho que ver con las regulaciones para la operación de VANT / UAV en el espacio aéreo civil, es su nivel de autonomía (referente al grado de automatización, no al número de horas de vuelo sin repostar combustible):
Clasificación de los VANT / UAV según nivel de automatización (Clic para agrandar)(IABG, Alemania)
Aplicaciones Civiles de los VANT / UAV
En las aplicaciones civiles, la portabilidad, la capacidad de despegue y aterrizaje vertical, la maniobrabilidad y la capacidad de vuelo estacionario de los helicópteros y el muy bajo costo de los multi-rotores, han hecho que estas sean el tipo de aeronaves más populares”, generalmente limitadas a las categorías ‘micro’.
La siguiente tabla sumariza solo algunas de las potenciales aplicaciones. En muchos de los casos la distancia entre la estación base de control y el vehículo no tripulado, está entre las decenas y las centenas de metros, y en algunos casos pocos kilómetros. Es frecuente también que las tareas a realizar requieran volar a baja velocidad, o incluso en vuelo estacionario, lo que explica el predominio del helicóptero en la lista.
Aplicaciones civiles de los VANT / UAV Lista no exhaustiva. Ver también diagrama “Algunos tipos de aeronaves usadas en los VANT / UAV“)
Otras aplicaciones no detalladas en la tabla incluyen:
Guarda Costas: Náufragos, Mares territoriales, Derechos de pesca, Vedas, Piratería, Patrulla fronteriza,
Desastres: Tsunamis, Terremotos, Tornados, Inundaciones, Derrames, Accidentes,
Bosques: Tala ilegal,
Municipios: Construcciones ilegales,
Policía: Eventos y manifestaciones,
Fuerzas del orden: Coordinación de Operativos,
Noticieros: Eventos, Juegos, Accidentes, Retransmisión en zonas montañosas,
Salud: Dispersión de agente anti-dengue,
Fauna: Vigilancia de parques nacionales, Captura de cazadores furtivos, Estudios de migraciones en mar y tierra,
Centrales e instalaciones eléctricas: Detección de fallas por descompostura y daños,
Servicios meteorológicos: Estación ambulante de largo alcance. Datos de polos y huracanes,
Seguridad: Convoys, Plantas remotas, Plataformas marítimas,
Cartografía: Fotogrametría y mapas 3D,
Comunicaciones: Torre de transmisión de telefonía e Internet de gran cobertura para zonas marginadas,
Medicina: Transporte emergente a lugares remotos, de medicinas en pequeña escala.
En apariencia, algunas de estas misiones podrían realizarse usando vehículos de radio control (RC) en lugar de un VANT / UAV especializado, pero deben tomarse en cuenta las siguientes dificultades del RC:
- El vehículo puede ser muy inestable y difícil de controlar de manera manual, requiriendo pilotos muy entrenados,
- En ocasiones no es posible el contacto visual entre el piloto y la aeronave (tanto por la distancia como la presencia de obstáculos),
- La capacidad de atención del piloto es limitada, debiéndose dedicar normalmente de manera completa al vuelo no pudiendo prestar atención al entorno o a la misión.
- La distancia, los obstáculos, u otros motivos, pueden originar la perdida de comunicación entre la consola de control del piloto y el vehículo, por lo que de no disponer de algún grado de autonomía en su control, se puede producir un accidente.
- Por su poca capacidad de carga, si se utilizan diseños comerciales “off the shelf”, se está limitado a cámaras no giro-estabilizadas y apropiadas sólo para tomas panorámicas y de corta distancia (no más de 100 m), como son por ejemplo las cámaras GoPro.
El uso de un VANT / UAV que, aun siendo telecontrolado incorpore la instrumentación necesaria para su estabilización automática y para su guiado de manera simple, con instrucciones de alto nivel (proporcionadas generalmente desde un mando tipo joystick), elimina o disminuye los inconvenientes de los equipos RC.
La recopilación de datos, imágenes y videos puede ser guardada en memorias electrónicas para ser analizadas post-vuelo, o, pueden transmitirse en tiempo real, ya sea vía satélite a cualquier punto; o en línea de vista (Line Of Sight) a la estación de control en tierra. En el primer caso, la transmisión de video es sumamente cara y en el segundo caso, aplican limitaciones en distancia, debido a la curvatura del planeta. Esto último se puede vencer a base de enlaces a tierra (mar) o utilizando otras aeronaves (UAVs o tripuladas) como estaciones retransmisoras.
Helicóptero Yamaha Rmax. En Japón su principal uso es la siembra de semillas de arroz y su fumigación. Cubren el 10% de la extensión fumigada de las islas. Otras de sus aplicaciones agrícolas son el monitoreo remoto, la agricultura de precisión, la mitigación de escarcha, y la dispersión de químicos a rata variable. Están equipados con un motor de 250 cc y tienen una capacidad de carga química entre 21 y 24 kgs. Se operan a plena vista, como aviones de radio control (RC) y a distancias no mayores de un par de cientos de metros; más algunas opciones incluyen avanzados sistemas de control, como es el sistema Yamaha YACS, el cual permite que en caso de detenerse todos los comandos de control del piloto, la aeronave se detenga rápidamente y haga vuelo estacionario (hover) sobre un punto.
Helicóptero Yamaha Rmax. El uso de helicópteros con control remoto, frente al helicóptero convencional, elimina los riesgos del piloto, permite vuelos a baja velocidad (20 km/h) y a menor altura (3 m) y evita la dependencia de un helicóptero tripulado con un costo muy superior al del no tripulado.
En la actualidad es aún predominante el uso en filmografía de helicópteros de RC sin las capacidades propias de un VANT / UAV, pero el abaratamiento de los costos y el incremento en el número de usuarios, permiten prever que en un futuro muy cercano se utilicen prioritariamente UAV en lugar de sistemas RC. Foto cortesía de Carlos Herrera/ Radikaltech.
Quadcoptero Discovery utilizado en fotografía y filmación aérea. El uso de helicópteros, Quads y Hexacopteros para filmografía está teniendo una amplia aceptación y difusión, ya que estas aeronaves dotadas del adecuado equipo filmográfico permiten captar escenas que de otro modo serían muy difíciles o imposibles de obtener. Foto cortesía de Carlos Herrera/ Radikaltech.
https://www.youtube.com/watch?v=7PGFkRpbJZs
Video cortesía de Carlos Herrera / Radikaltech.
Quadcoptero Aeryon Scout. Este pequeño UAV ha sido usado ya para labores de búsqueda y rescate de personas en situaciones de desastre y para la observación de derrames de petróleo.
UAV Fulmar de Aerovision. Su aplicación principal es asistir a los pescadores a localizar bancos de atunes, dada su habilidad de hacer aterrizajes en el agua.
UAS InView. Desarrollado específicamente para aplicaciones científicas, comerciales y de estado.
UAS InView. Se enfoque de diseño es la seguridad, automatización y la modularidad.
AV-1 Albatross. En diversos casos, dada la distancia entre la estación base de control y el vehículo no tripulado, o la extensión del área a monitorear, la capacidad de carga, así como la duración de la misión, motiva la selección de un vehículo de ala fija. Imagen cortesía de Aerovantech / Dronetech.
AV-1 Albatross. Un conjunto amplio de estas aplicaciones coincide en dotar al VANT / UAV de una cámara de video y los medios adecuados para capturar y/o transmitir las imágenes en tiempo real a la estación base. Esta capacidad de adquirir imágenes en un espectro visible, infrarrojo o multiespectral, permite abordar tareas como la inspección, la vigilancia o la búsqueda. Imagen cortesía de Aerovantech / Dronetech.
¿Cómo se opera un Vehículo Aéreo No Tripulado?
La operación de un VANT / UAV requieren de un conjunto de elementos que en su totalidad, forman un Sistema Aéreo No Tripulado (SANT / UAS). Los equipos a bordo del UAV se denominan ‘Segmento Aire’, mientras que los que constituyen la Estación Base se denominan ‘Segmento Tierra’, unidos entre sí mediante diversos sistemas de comunicaciones.
El segmento tierra se requiere incluso en el caso de sistemas totalmente autónomos, dedicado a la definición y supervisión de la misión que debe realizar el UAV. En esta se monitorean los datos de vuelo, se modifica el plan de vuelo de ser necesario, se controla la aeronave para hacer correcciones, y se reciben los datos e imágenes de los sensores de misión. El control de misión puede realizar una evaluación previa de la viabilidad de la misión, tanto desde el punto de vista del vehículo (autonomía, capacidad de realizar las maniobras solicitadas, etc) como del entorno (colisiones). Es deseable que el control de la misión y el control de la carga de pago sean acoplados, y se hagan de manera conjunta
Adicionalmente, si se trata de un UAV de ala fija de costo no mayor, a digamos, USD $10 millones, se utiliza una consola radio transmisor de aviones RC para las maniobras de despegue y aterrizaje; y si se trata de un Ala rotativa o Ala fija/VTOL se utilizan tabletas (Ipad o similares), transfiriendo el mando a o desde la Estación de Control de Tierra (ECT).
Estación de Control de Tierra. Imagen cortesía de Aerovantech / Dronetech.
Descripción de la Estación de Control de Tierra. Imagen cortesía de Aerovantech / Dronetech.
Software de la Consola de control y monitoreo de la ECT. Imagen cortesía de Aerovantech / Dronetech.
Estación de Tierra de un quadcóptero basada en iPad (DJI)
Ejemplo de imagen de un sensor de piloto virtual en primera persona, que permite en este caso controlar la aeronave desde su ‘cabina’ (FPV). Imagen cortesía de Aerovantech / Dronetech.
Ejemplo de monitoreo de la misión en la ECT, en este caso, un patrón de fumigación.
El segmento aire está conformados por varios subsistemas. Estos subsistemas permiten monitorear la navegación, la ‘salud’ de los sistemas del UAV, seguir la ruta planificada, y remitir las señales de los sensores de vuelo y sensores de misión a la Estación de Control de Tierra.
Subsistemas del sistema de control de un VANT / UAV.
Este diagrama muestra por completo lo que involucran los segmentos Tierra y Aire:
¿Qué hay dentro de un UAV? Mapa de las piezas principales de un UAV (AUVSI)
Costos de adquisición y operación de los VANT / UAV:
Los UAV, contrario a la opinión popular, no son nada baratos, salvo que sean para entretenimiento, porque el proceso de certificación aeronáutica, la ingeniería, los sistemas electrónicos, los sistemas de telecomunicaciones, piloto automático, y los componentes con tan poco volumen de producción actual, son muy caros.
Mientras en términos de adquisición, por kg de carga cuesta, digamos, unos US $1.200 para un avión deportivo tipo LSA; $2.300 para uno de aviación general y unos $5.000 para un jet de pasajeros en el caso de los UAV el costo es del orden de US $8.000 a $23.000 por kg de carga de paga.
Por ejemplo, un sistema RMax completamente autónomo, con estación de control de tierra, antenas, computadoras, monitores y dos células completas y un sistema de 4 cámaras, tenía para el 2004, un precio de $1.000.000.
Ahora bien, si a todos estos aviones tripulados y no tripulados les agregamos el costo de una buena cámara y los equipos de teletransmisión, y mientras la carga de paga sea menor a, digamos, 50 Kgs, la conclusión es todo lo contrario. El UAV resulta más económico de adquirir, que el avión tripulado. En cuanto a costos de operación, el UAV también resulta más económico, que el avión tripulado.
La justificación civil radica en el análisis anterior, en su costo de operación mucho más bajo que el de un avión tripulado debido a la muy poca potencia necesaria para mantenerse en vuelo y en la posibilidad de realizar misiones imposibles por la distancia y tiempo requeridos.
Con un nivel de utilización de más de, digamos, 2-4 horas diarias, es mas barato el realizar misiones con aviones no tripulados, porque el ahorro en costos de operación, paga con creces la mayor inversión.
Los aviones tripulados están limitados a vuelos máximos de, digamos, 6 horas sin cambio de tripulación y por razones de combustible. Como la tarea por realizar nunca se encuentra inmediata a la pista de despegue (salvo el caso de los fumigadores) se pierde mucho tiempo en ir y regresar al área de trabajo, reduciendo el tiempo efectivo de trabajo. En el caso de los UAV, si es que cuentan con muchas horas de autonomía, el porcentaje de tiempo de ida y vuelta se convierte en una fracción pequeña del tiempo de trabajo, logrando una mayor efectividad. Lo que al cliente le produce beneficios es la hora efectiva en el área de trabajo y no las horas de vuelo, las cuales causan el costo.
Los UAV tienen una gran oportunidad de éxito comercial vs las aeronaves tripuladas en la aviación civil cuando:
1.- Se necesita maniobrar en espacios muy confinados (Quadcópteros dentro de edificios),
2.- Se pondría en peligro la vida del piloto,
3.- La carga de paga (cámaras) pesa menos de, digamos, 10 kg,
4.- La misión deseada dura más de, digamos, 6-8 horas,
5.- Se vá a utilizar más, de, digamos, 2-4 horas diarias.
La tasa actual de accidentes de UAV es del orden de 1 falla por cada 1,000 horas de vuelo y 1 pérdida por cada 3,000 horas (esta cifra corresponde sólo a los UAVs que tienen más de 100,00 horas de vuelo acumuladas), lo que se compara con una tasa del orden de 1 accidente mortal por cada 70,000 horas en el caso de los aviones tripulados de aviación general. Los que no tienen ese nivel de experiencia de uso, tiene tasas de pérdidas mucho mayores.
Esta tasa de accidentes se puede mejorar mucho con la generalización de:
- Diseños bimotores
- Pilotos automáticos redundantes
- Sistemas de control redundantes
- Sistemas de telecomunicación redundantes
- Certificación de componentes
- Motores de turbina
Aspectos legales y de seguridad en la operación delos VANT / UAV en el espacio aéreo civil
La aplicación de los UAV en misiones civiles, supone el utilizar un espacio aéreo cuyo uso está muy regulado y controlado para vuelos tripulados. En caso de haber la necesidad de sobrevolar zonas habitadas, obliga a dotar a los UAV de una serie de medidas de seguridad aún no claramente definidas.
Se espera sean exigidos sistemas de anticolisión, paracaídas y un sistema de “piloto virtual” además de luces estroboscópicas.
El “piloto virtual” corresponde la suma de los siguientes componentes:
1.- Cámara giratoria estabilizada para visualización de tráfico,
2.- Radio comunicación con centros de tráfico y torres de control,
3.- Transpondedor.
El control de tráfico aéreo (ATC, Air Traffic Control) que se aplica a los vuelos civiles tripulados, tiene la intención de ordenar el tráfico de aeronaves con el máximo rendimiento, garantizando adecuados niveles de seguridad. De modo que, con la implementación del “piloto virtual”, un controlador de tráfico no distinguiría entre un avión tripulado y uno remotamente piloteado. Ambos se comportarían como ellos lo requieren.
En ausencia de regulaciones, se debe operar asegurándose de no contravenir las regulaciones a la navegación aérea establecidas en la Regulación Aeronáutica Venezolana RAV.
Dado que los equipos más semejantes a los UAV son los equipos a Radio Control (RC), se utilizan como guiatura las recomendaciones aplicables a dichos sistemas, publicadas por la FAA (EUA) bajo la circular de asesoramiento AC91-57, donde se dan sugerencias para disminuir los peligros en la operación de aeronaves a escala. Estas son:
- Volar en zonas suficientemente alejadas de zonas habitadas. Evitando zonas donde el ruido pueda ser motivo de molestias (colegios, hospitales, etc),
- No volar con “espectadores” hasta que el vuelo del vehículo esté suficientemente probado,
- No volar encima de 125 m sobre el suelo,
- Cuando se vuele a menos de 5 km de un aeropuerto, notificarlo a las autoridades de control del tráfico aéreo del aeropuerto,
- Evitar volar en las proximidades de aeronaves reales. Si es posible, disponer de observadores que vigilen esta situación.
Por su parte, en Europa existe la propuesta de la UAV Task Force (JAA/Eurocontrol), la cual tomó como referencia las regulaciones para aeroplanos ligeros, para definir lo que denomina “UAV Ligeros”, los cuales son los que cumplen con estas características:
- Máxima carga en despegue: 150kg
- Velocidad máxima: 130 km/h
- Alcance máximo de operación (distancia al puesto de mando): 500 m
- Altura máxima: 125 m
La siguiente tabla es un resumen de la propuesta de la UAV-TF para la regulación del uso de los UAV ligeros. En ausencia de regulación, su uso voluntario responde a una buena práctica en el uso de los UAV ligeros:
Alejandro Irausquín
Ing. Aeronáutico, IUPFAN 1991
Representante para Venezuela de Aerovantech / Dronetech
www.facebook.com/alejandro.irausquin
alejandro.irausquin@gmail.com
www.twitter.com/airausquin
Vaya mi mayor agradecimiento al señor Jaime G Sada, Director General de las empresas Dronetech LLC de EUA y Aerovantech SAPI de CV de México, por suministrar el material base para la elaboración de este artículo; al Sr. Carlos Herrera de Radikaltech, en Valencia, Edo. Carabobo, por sus explicaciones; así como al Sr. Andreas Diaz del Nogal, de G & F Tecnología, Caracas, por las imagenes suministradas.
Enlaces:
http://rmax.yamaha-motor.com.au/
http://www.gizmag.com/go/2440/ Rmax
http://www.flying-cam.com/
http://radikaltech.com/
http://dronetechuav.com/ AV-1 y AV-2
http://www.wake-eng.com/ Fulmar
http://www.barnardmicrosystems.com/inview/overview.html
http://www.aeryon.com/products/avs/aeryon-scout.html
http://www.auvsi.org/
Fuentes:
– A, Barrientos – Vehículos aéreos no tripulados para uso civil. Tecnología y aplicaciones (2007)
– http://issuu.com/femppa/docs/revista_24/1
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