Vehículo aéreo no tripulado

Resumen

En este documento se presenta una breve
investigación acerca de los Vehículos Aéreos
no Tripulados (VANT), en donde se realiza pequeñas
explicaciones en diferentes campos de estudio que los VANT
encierran. Conforme el lector avance en el documento
observará que estos vehículos tienen sus
raíces en los primeros robots manipuladores creados en
esta gran área de estudio a lo largo del desarrollo
humano. Brevemente, pero necesario, vale resaltar la importancia
de la Física dentro de los VANT, mas concretamente la rama
de la dinámica que permite el desarrollo de los robots
manipuladores más básicos. Posteriormente se
presentan algunas aplicaciones de éstos elementos
además de algunos modelos realizados en algunos
países.

Index Terms—Dinámica,
Manupulador, Robótica,VANT

Abstract — In this paper a little
research about Unmanned Aerial Vehicles (UAV), where small
explanation is made in different fields of study that enclose UAV
is presented. As the reader advance in the document noted that
these vehicles are rooted in the first robot manipulators created
in this large area of study throughout human development.
Briefly, but necessary, it highlight the importance of physics
within the UAV, more specifically the branch of dynamics that
allows the development of the most basic robot manipulators.
Later some applications of these elements plus some models made
in some countries are presented.

Index Terms — Dynamics,
Manipulator, Robotics, UAV.

I.
INTRODUCCIÓN

Con el avance tecnológico actual y el auge de
dispositivos con la suficiente autonomía, es necesario
estar al tanto como funciona el sistema que envuelve a dichos
dispositivos y probablemente a éste en sí mismo. Es
por eso que se realiza una breve indagación acerca del
vehículo aéreo no tripulado o conocido popularmente
como drone, artefacto resultante de la aplicación de
ingeniería mecatrónica. Hoy en día el drone
es un dispositivo muy utilizado para fines comerciales y
entretenimiento, pero desde hace varios años simplemente
se utilizaba con fines militares ya que no era permitida su
fabricación libremente. Como podrá el lector ir
asimilando, el drone tiene sus bases en los primeros robots
manipuladores desarrollados por el hombre para realizar tareas
repetitivas y en un entorno reducido, en ésta
sección se observará que todos los robots obedecen
a un sistema coordenado para ubicación que se encuentra
dentro la dinámica, una de las ramas de la física
que es de gran importancia a la ahora de estudiar y aplicar este
campo. En la actualidad ya existen maneras de distinguir al
drone: características, aplicación, tamaño,
modelos.

II.
DESARROLLO

II-A1. Campos Implicados: La robótica
permite incluir varias áreas de estudio como son:
física, electrónica, matemáticas, sistemas,
control, entre otros, como se muestra en la figura 1
[1],[20].

Figura 1. Robótica y sus campos
implicados[1].

Una idea que acerque la mente a la práctica se
muestra en la figura 2, la cual presenta un esquema muy
generalizado de los campos anteriormente mencionados.
[3]

Figura 2. Esquema general de un sistema de
robótica [3].

II-A. Robótica

"La robótica es una disciplina
científica que aborda la investigación y desarrollo
de una clase particular de sistemas
mecánicos, denominados robots manipuladores,
diseñados para realizar una amplia variedad de
aplicaciones industriales, científicas, domésticas
y comerciales" [1].

II-A2. Tipos de Robots: La forma
más general en que se pueden clasificar a los robots
es[1]:

Cuadro I

CLASIFICACIÓN DE
LOS ROBOTS[1]

Del cuadro I es posible observar que los robots
móviles se clasifican de acuerdo al medio de
operación [1].

II-A3. Importancia de la Dinámica: Es
importante considerar la ubicación de objetos en el
espacio. Estos objetos son las relaciones del manipulador, las
piezas y herramientas de trabajo y los demás objetos en el
medio. A un nivel básico pero importante, estos objetos se
describen mediante sólo dos características:
posición y orientación. Para poder describir la
posición y orientación de un cuerpo en el espacio,
hay que considerar un sistema de coordenadas, o trama, al objeto.
Luego se describe la posición y orientación de esta
trama con respecto a algún sistema de referencia fijo
[2],[20].

Figura 3. Muestra un sistema de
coordenadas que relaciona el manipulador, el medio y el objeto
[2].

De manera similar en la robótica móvil es
imprescindible considerar los cuerpos en tres dimensiones, este
interés es evidente en vehículos aéreos por
el entorno en el que podría enfrentar, el cual necesita
constantemente realizar lecturas del medio [3].

En la figura 4 se muestra el modelo dinámico para
el desarrollo de un cuadricóptero. En esta figura se
observa que es indispensable considerar las fuerzas que
actuarán en cada una de las hélices del modelo, los
momentos de fuerza, el peso ubicado al centro del dispositivo y
un indispensable eje de referencia para los cálculos
necesarios [6].

Figura 4. Muestra un modelo para un
cuadricóptero con ejes de referencia fijo y móvil.
[6].

II-B. Robots
Aéreos

Los robots aéreos son aeronaves no tripuladas
como helicópteros o pequeños aviones operados a
control remoto que pueden proporcionar imágenes
aéreas para reconocimiento de terreno y superficie, son
muy útiles en problemas de análisis de
tráfico e inspección de edificios [1].

También la demanda de las aplicaciones tales como
recolección de datos, mantenimiento de instalaciones en
ambientes naturales a los que el ser humano le dificulta llegar y
probablemente hasta imposible, ha llevado al hombre a desarrollar
vehículos aéreos o submarinos. Dichos robots
resultan de la evolución de vehículos totalmente
tele-operados por el ser humano [3].

Figura 5. Marvin Markll, un robot
aéreo autónomo creado por el Departamento de
Computación de la Universidad Técnica de Berlin
[4].

Un primer problema con el que se puede topar en el
desarrollo de este tipo de robots es la necesidad de obtener
información de forma continua que en el caso de los
robots terrestres. En este caso el robot no puede
detenerse, forzosamente tiene que recibir datos de su movimiento
en el espacio, regular su velocidad y posicionar sus actuadores
en forma inmediata [4].

Contienen un sistema redundante de sensores para su
posicionamiento, de forma tal que ante cualquier
interrupción momentánea de uno o más de
ellos, pueda recuperarse de la falla. Este sistema de redundancia
permite mayor fiabilidad y precisión en la lectura de
datos [4].

Comúnmente utilizan un Sistema de Posicionamiento
Global (GPS), acelerómetros, giróscopos,
telémetros y otros sensores sofisticados para ubicarse en
el espacio tridimensional. Una consideración importante es
tener información continua en tierra de la carga de la
batería, es necesario algún mecanismo
automático de descenso en caso de una baja de
energía. Igualmente existen zeppelines que son más
estables y fáciles de controlar que los
helicópteros [4].

II-C. El Drone:

El término drone (zángano) deriva del uso
inicial como pequeños aviones a hélice que zumbaban
como zánganos que se usaban en prácticas militares
[5].

Como ya se ha mencionado anteriormente la
definición de drone se conoce como Vehículo
Aéreo no Tripulado, VANT o UAV por sus siglas en ingles, o
también como sistema aéreo no tripulado
[5].

"La definición de un sistema UAV, según el
departamento de defensa estado unidense [Camb 2005], es un
vehículo aéreo, propulsado, que no transporte
ningún operador humano, use las fuerzas
aerodinámicas para elevar el vehículo, pueda volar
de forma autónoma o ser pilotado remotamente, pueda ser
desechable o recuperable, y pueda llevar a bordo una carga
útil letal o no letal. Los vehículos
balísticos o semi balísticos, misiles de crucero y
proyectiles de artillería no son considerados
vehículos aéreos no tripulados" [?].

Existen drones desde pequeñas escalas a radio
control, planeadores, helicópteros, dirigibles, aviones,
entre otros, a vehículos tan sofisticados como pueden ser
aviones a tamaño real, con sus respectivos equipos de
navegación, GPS, VOR, Servomecanismos. [6].

En los últimos treinta años
la complejidad del dron a avanzado considerablemente. Existen
drones con sensores electrónicos suficientemente capaces
de tomar acciones evasivas en caso de ser atacado de forma
física o virtual así como también son
programados para despliegues o aterrizajes autónomos [5].
Actualmente se han desarrollado VANT para uso comercial
y entretenimiento como son los Parrot, también se
han creado para aplicaciones militares, en donde se los conoce
como vehículos aéreos de combate no tripulados. Los
primeros drones desarrollados por la milicia eran utilizados como
blancos aéreos, es decir, cubrían rutas de vuelo
predefinidas para ser atacados con armas antiaéreas con el
objetivo de probar efectividad tanto de armas terrestres como de
otras armas de vuelo y aviones [5],.

Objetivo:

Para fines académicos y científicos su
función prioritaria es la de portar sensores que permitan
captar información de una área
específica mientras el dron cubre dicha área.
La información obtenida por el dron es transmitida en
tiempo real a una estación de control en tierra, la cual
se encarga de analizar la información y controlar la nave
[5].

Figura 6. Cuadricóptero: Uno de los prototipos
más generales utilizado para entretenimiento
[5].

II-C1. Clasificación: Una primera
clasificación de los drones se da de acuerdo a su peso
[6],[8]:

MICRO: Menor a 1 kg. MINI: 1 – 10 kg.
PEQUEÑO: 10 50 kg. MEDIANO: 50 -100 kg. GRANDE: Más
de 100 kg.

Otra manera de clasificación es mediante su
despegue: despegue vertical, helicópteros y dirigibles;
despegue no vertical, aeroplanos. En la figura se presenta
ésta última clasificación
[6],[15].

Figura 7. Clasificación de los drones de acuerdo
a su despegue [6],[15].

II-C2. Aplicaciones: Los drones podrían
cubrir ambientes de alta toxicidad, como el accidente nuclear de
Chernóbil sucedido en 1986, donde el acceso humano no era
posible y se perdieron vidas humanas por todos los tóxicos
que se liberaron, además se requieran tomar datos de la
superficie afectada y control del entorno[5].

Algunos drones cuentan con cámaras de alta
definición que permiten controlar el narcotráfico y
el terrorismo [5].

En la parte comercial y civil en la observación
de áreas terrestres los drones tienen varias aplicaciones
[5],[6]:

Agricultura: equipados con pesticidas y
fertilizantes para tratamiento de campos [17].

Telecomunicaciones: usados como plataformas de relevo,
así como telecomunicaciones de emergencia en zonas de
desastre [15], [16].

Internet: distribución de señal gratuita
de internet. Además de reporte en video de eventos donde
reporteros no pueden acceder [12].

Cartografía: para obtener mapas
geográficos y modelos de elevaciones de superficies en
alta resolución [13]. Servicios Forestales: Zonas boscosas
difíciles, control de incendios [18].

Recursos Marinos: detección de
recursos bajo el mar donde los humanos no pueden acceder [6],
[8].

Medio ambiente: estado de la
atmósfera [17], [19]. Seguridad, control fronterizo y
control de líneas costeras [6].

Control de tráfico terrestre:
Monitoreo y accidentes en autopistas [6], [9].

Algunos drones son desarrollados para aplicaciones en
donde se requiere duraciones largas de batería o el
consumo adecuado de combustible [5].

Figura 8. Hexacoptero, es un modelo
utilizado para inspección de áreas, eventos,
estructuras, entre otros [5].

II-C3. Modelo Ecuatoriano: En el año
2014 se presentó el primer UAV desarrollado por la Fuerza
Aérea Ecuatoriana denominado UAV-2 Gavilán
(prototipo final). Este proyecto permitirá la vigilancia
de fronteras, monitoreo de recursos, apoyo en desastres naturales
y recolección de información principalmente
[7].

"UAV 2: Gavilán, contará con capacidades
de aterrizaje, despegue y vuelo automático,
transmisión de video en tiempo real desde un sistema
electro óptico, largo alcance en rangos de
operación y gran autonomía de vuelo "
[7].

Figura 9. UAV 2 Gavilán,
desarrollado por el Centro de Investigación y

Desarrollo de la Fuerza Aérea
Ecuatoriana CIDFAE [7].

Modelo Satélite:

Un prototipo que se encuentra en desarrollo
es el Drone Satélite, éste tiene el objetivo de
abastecer internet a lugares de difícil acceso o donde
simplemente no hay un servicio de internet, este ejemplar es
promovido por las grandes plataformas y redes virtuales [5],
[4],[13].

Figura 10. Drone satélite: Posible
modelo que se utilizaría para llevar señal al ser
humano en todo el mundo para conexión a internet
[5],[6].

III.
ANÁLISIS

El desarrollo de los drones en la actualidad ha tenido
una aceptación considerable principalmente en la parte
comercial por varios beneficios que estos dispositivos aportan
tanto a usuarios como a servidores. Eventos sociales se cubren
con la ayuda los UAV en donde existen gran demanda de
visualización y transmisión en tiempo real. Otros
aportes de estos artefactos son el ingreso a lugares
difíciles donde el ser humano no puede llegar y/o presenta
demasiado riesgo.

IV.
CONCLUSIONES

Como todo dispositivo de hoy en día que tiene sus
bases en los primeros prototipos, el UAV desciende de los
primeros robots creados por el hombre y con la necesidad de
llegar más lejos.

Los drones han permitido combinar varias
ingenierías en su desarrollo y su posterior
ejecución. Aunque no se realizó un análisis
profundo de la composición del drone, (a nivel
electrónico), se puede observar que los sensores
electrónicos, dispositivos de
orientación y posición y plataformas de
programación son básicas y necesarias para llevar a
la práctica a los drones y que claramente demanda el
conocimiento apropiado de las ingenierías
involucradas.

Probables efectos no deseados que los
drones traen consigo son las invasiones, guerras,
tráfico aéreo civil si no se realiza un adecuado
control, pero que claramente depende de como el ser humano decida
utilizarlo.

REFERENCIAS

[1] Fernando Reyes Cortes,
"Robótica: Control de Robots Manipuladores". Primera
Edición. Capítulos: 1.

[2] John J. Craig, "Robótica".
Tercera Edición. Capítulos: 1. .

[3] Aníbal Ollero Baturone. "Robótica,
Manipuladores y robots móviles". Primera Edición,
Capítulos 1 y 3.

[4] Publicación USERS. "ROBÓTICA,
guía teórica y práctica".
Primera Edición. Autor: Gonzalo Zalaba.

[5] Publicación GADGETS. Editado por CORPORATIVO
MINA, S.A. Junio 2014. Artículo: "Qué son los
drones y en qué se utilizan?". Autor: Marco A.
Campuzano.

[6] Rodrigo Alberto Mayorca Rodríguez. "Sistema
de Navegación para Vehículos Aéreos
Cuadricópteros". Junio 30 de 2009.

[7] Fuerza Aérea Ecuatoriana CIDFAE. "Proyecto
Avión no Tripulado". Disponible en línea:
http://www.fuerzaaereaecuatoriana.
mil.ec/site/index.php?option=com_content&view=article&id=124:centro-de-investigacion-y-desarrollo-fae&catid=87:
desarrollo-aeroespacial&Itemid=493

[8] Emilio Aced Félez, jefe de área en la
Agencia Española de Protección de Datos.
Monográfico. "Drones: una nueva era de la vigilancia y de
la privacidad".

[9] Minh-Duc Hua, Tarek Hamel, Member, IEEE, Pascal
Morin, and Claude Samson. "A Control Approach for
Thrust-Propelled Underactuated Vehicles and its Application to
VTOL Drones". Agosto de 2009.

[10] Tan T. Trinh, James K. Kuchar, Massachusetts
Institute of Technology, Cambridge, MA. "Study of Visual Cues for
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[11] Fugui Li. Qunli Xia. Zaikang Qi. School of
Aerospace Engineering Beijing Institute of Technology. "Flight
Test for Identifying the Control Model and Terminal Strike with
Bank To Turn Maneuvering, Study On The Unmanned Aerial Vehicle
Platform".

[12] Fretz Sievers Junior. Rodrigo Kuntz Rangel e Pedro
Paulo Calçada Neto. "WebLab um laboratório de
acesso remoto controlado através da Internet Um estudo de
caso de um VANT – Veículo Aéreo Não
Tripulado com dispositivo Mobile."

[13] Md. Arafatur Rahman. Department of Electrical
Engineering and Information Technologies (DIETI). University of
Naples Federico II, Naples, Italy. "Enabling Drone Communications
with WiMAX Technology".

[14] Xiu-Xia Yang, Xiao-Wei Liu, Zhang Yi. "Study on
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Goal". Agosto de 2014, Yantai, China.

[15] Barrientos, A., et al. "Vehículos
aéreos no tripulados para uso civil. Tecnología y
aplicaciones." Universidad Politécnica de Madrid, Madrid
(2007).

[16] Alcázar, J., et al. "Teleoperación
de Helicópteros para Monitorización Aérea en
el Sistema multi-UAV COMETS." Grupo de Robótica,
Visión y Control Escuela Superior de Ingenieros,
Universidad de Sevilla.

[17] VELASCO CARRAU, J.E.S.U.S., et al. "Desarrollo y
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para vehículos aéreos no tripulados." Actas de las
XXXIII Jornadas de Automática (2012).

[18] Ollero, A., et al. "Sistema Basado en el Empleo
Vehículos Aéreos no Tripulados para la Lucha Contra
Incendios Forestales." (2007).

[19] Etzioni, Amitai. "El gran debate sobre el uso de
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(2013).

[20] Raffo, Guilherme V., Manuel G. Ortega, and
Francisco R. Rubio. "Plataforma de pruebas para un
vehículo aéreo no tripulado utilizando labview."
Dept. Ingeniería de Sistemas y Automática, Escuela
Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla
(2009).

[21] González Partida, José Tomás.
"Nuevas técnicas para sensores radar embarcados en
vehículos aéreos no tripulados." Diss.
Telecomunicacion, 2009.

Autor:

Pablo Fernando Guamán
Novillo

Estudiante de la Universidad
Politécnica Salesiana, sede
Cuenca.

Ingeniería
Electrónica.