Introducción
Se entiende por Vehículo Aéreo no Tripulado (VANT) al vehículo aéreo que es capaz de realizar una misión sin necesidad de tener una tripulación embarcada. En los últimos años se extendió el concepto de vehículo a sistema aéreo no tripulado (SANT) esto se debe a que en una misión la responsabilidad no solo se recae en la aeronave equipada con sistemas de navegación y sensores, sino también de una estación de tierra y sistemas de comunicación que agrega la capacidad de navegación, control y percepción.
La evolución de los VANT, también llamados “drones” (falso abejorro) se ha intensificado considerablemente en los últimos ocho años, debido al interés en aplicaciones militares. Sin embargo, las aplicaciones civiles de estos artefactos han motivado el desarrollo de la investigación en universidades y en centros de investigación gubernamentales de todo el mundo. Las aplicaciones civiles abarcan un gran espectro y encontramos a la supervisión de líneas de alta tensión, supervisión de infraestructuras civiles, acciones de desastre y protección civil, supervisión de tráfico, vigilancia de fronteras, climatología, agricultura, entre otras. El desarrollo de los drones envuelve muchos problemas que van desde los estrictamente técnicos hasta los totalmente legales. Una de estas líneas en pleno desarrollo es el control avanzado y navegación de drones. Las restricciones de peso, el poder de cómputo de los sistemas digitales de procesamiento embebidos, la transmisión de información a través de canales de comunicación, el consumo de energía y la no linealidad de estos sistemas, acoplado con la dificultad de identificación de parámetros, hacen de los drones un verdadero desafío.
La buena historia de los drones multirotor
Los drones pueden ser clasificados por su tamaño o su funcionamiento aerodinámico o los dos. La comunidad científica y la industria se han concentrado principalmente en los drones multirotor (cuatro, seis u ocho rotores) por sus capacidades de despegue y aterrizaje vertical. El ejemplo más emblemático en las arquitecturas VTOL (del inglés Vertical Take-Off and Landing) es el helicóptero con cuatro rotores, conocido también como “quadrotor”. Una gran ventaja de este vehículo es que no requiere un perfil aerodinámico para la sustentación. Además, son relativamente fáciles de diseñar y construir. El laboratorio de “Navegación, Control y Guiado de Vehículos no Tripulados” de la Facultad de Ciencias de la Electrónica, y liderado por el autor de este artículo, ha sido partícipe de este gran avance en los últimos ocho años, donde los trabajos realizados han sido reconocidos nacional e internacionalmente. La investigación y desarrollo tecnológico cultivado en estos años giraron en torno a: 1) Algoritmos de control, guiado y arquitecturas embebidas (FPGAs y microprocesadores) para el desarrollo de autopiloto de drones multirotor, 2) Desarrollo de sistemas de navegación basados en Filtros de Kalman y observadores no lineales.
Si bien el modelado matemático y control de los drones multirotor (de forma individual) ha sido un problema de mucho interés, y empresas transnacionales como DJI y Parrot siguen recaudando grandes ganancias, se puede decir que dicho problema se encuentra prácticamente resuelto, por lo que nuevos horizontes deben ser explorados que permitan atacar los problemas actuales.
Los drones y las energías renovables
Uno de los principales problemas y desafíos en los drones es la autonomía desde el punto de vista energético. Los drones tipo multirotor son los menos eficientes energéticamente, ya que la sustentación se basa en la fuerza “bruta” generada por los motores. Por su parte, los drones de ala fija tienen mayores ventajas energéticas, esto debido a los perfiles aerodinámicos con los que cuenta. El precio por pagar consiste en un proceso sistemático del diseño aerodinámico y estructural, además de que es necesario pistas de despegue y aterrizaje para su funcionamiento.
En este sentido, nuestro grupo ha desarrollado nuevas e innovadoras arquitecturas de aeronaves no tripuladas, que permitan tener mayor autonomía energética mediante su configuración aerodinámica, pero también mediante el uso de sistemas de energía a base de fuentes renovables, almacenamiento de energía de última tecnología y controles de gestión de energía. El diseño realizado (ver Figura) cuenta con sistemas fotovoltaicos a lo largo de los tres metros de envergadura, lo que permitiría vuelos de tres a cuatro horas. El trabajo también considera el diseño de un control de altura, velocidad y rumbo para el vehículo aéreo. Además, el vehículo cuenta con una estación meteorológica diseñada por el grupo para recabar parámetros atmosféricos, temperatura, calidad del aire y compartirlos en tiempo real. Cabe mencionar que dicho sistema está en trámite de patente.
Enjambre de drones: de la naturaleza a la tecnología
El movimiento coordinado en los sistemas biológicos es un fenómeno fantástico y una herramienta extremadamente poderosa para usarse en la coordinación de un grupo de vehículos, sensores móviles y sistemas robóticos embebidos. En muchas aplicaciones y con la finalidad de ahorrar tiempo y energía, es deseable contar con un grupo de drones (de ala fija o ala rotatoria) los cuales se puedan desplegar sobre una región específica, realizar una formación, llevar a cabo un “rendezvous” en un punto común o realizar movimientos sincronizados. Estas tareas de coordinación deben ser realizadas con un mínimo de comunicación entre los vehículos con el fin de reducir el tráfico en la red y mantener la estabilidad del sistema completo. Este problema se circunscribe en un problema más general de “sistemas de control de redes complejas” y es un área emergente y de mucho interés teórico y práctico. Nuestro grupo no ha sido inerte a estos desafíos y hoy en día somos de los pocos grupos en el país trabajando en redes de drones y el único trabajando en sincronización de redes de drones con manipuladores acoplados (ver Figura) y con comunicación asíncrona entre ellos. Esto nos valió obtener financiamiento para un proyecto bilateral (México-Francia) titulado “TOBACCO: fault TOlerant event-BAsed Cooperative Control”, auspiciado a través del Conacyt-ANUIES-ECOS-Nord. Además el estudiante del programa de doctorado en la industria de la FCE-BUAP, Argel Vega Alonzo, ganó el premio al mejor artículo en la congreso IEEE-EBCCSP’19 en Viena, Austria, el pasado mes de mayo, donde presentó un control colaborativo para un grupo de drones transportando una carga.
Conclusiones
Este breve artículo presenta un panorama general de los trabajos desarrollados desde 2010 por nuestro grupo y que han sido llevados a cabo en el marco seis tesis de licenciatura en Ciencias de la Electrónica e Ing. Mecatrónica, 10 tesis de maestría en Ingeniería Electrónica y una tesis doctoral, todo ello en la BUAP. El esfuerzo ha sido gigantesco en estos años, pero agradezco a mis estudiantes y colaboradores, ya que sin su esfuerzo, dedicación y grandes capacidades teóricas y técnicas, este sueño de realizar desarrollo tecnológico en México sería imposible.
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