Vehículo aéreo no tripulado
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Northrop Grumman Bat con sensores EO / IR y SAR, telémetros láser, designadores láser, cámaras infrarrojas
Un UAV quadcopter DJI Phantom para fotografía aérea comercial y recreativa
Un General Atomics MQ-9 Reaper , un UAV de vigilancia cazador-asesino
Aunque la mayoría de los UAV militares son aviones de ala fija , también se utilizan diseños de helicópteros (es decir, RUAV) como este MQ-8B Fire Scout .
Avión versátil no tripulado (originalmente un Pipistrel Sinus de 2 plazas )

Un vehículo aéreo no tripulado ( UAV ), comúnmente conocido como dron , es un avión sin piloto , tripulación o pasajeros humanos a bordo. Los UAV son un componente de un sistema de aeronaves no tripuladas (UAS) , que incluyen adicionalmente un controlador en tierra y un sistema de comunicaciones con el UAV. [1] [2] El vuelo de vehículos aéreos no tripulados puede operar bajo control remoto por un operador humano, como aeronaves pilotadas a distancia ( RPA ), o con varios grados de autonomía , como asistencia de piloto automático , hasta aeronaves totalmente autónomas que no tienen provisión para la intervención humana.[3]

Los UAV se desarrollaron originalmente durante el siglo XX para misiones militares demasiado "aburridas, sucias o peligrosas" [4] para los humanos, y para el siglo XXI se habían convertido en activos esenciales para la mayoría de los ejércitos. A medida que las tecnologías de control mejoraron y los costos bajaron, su uso se expandió a muchas aplicaciones no militares. [5] [6] Estos incluyen fotografía aérea , entrega de productos , agricultura , vigilancia y vigilancia, inspecciones de infraestructura, ciencia, [7] [8] [9] [10] contrabando, [11] y carreras de drones .

Terminología

Se utilizan muchos términos para las aeronaves que vuelan sin personas a bordo.

El término avión no tripulado se ha utilizado desde los primeros días de la aviación, y se aplica a los aviones objetivo de vuelo remoto utilizados para practicar el disparo de los cañones de un acorazado, como el Fairey Queen de los años 20 y el Abeja Reina de Havilland de los años 30 . Los ejemplos posteriores incluyeron el Airspeed Queen Wasp y Miles Queen Martinet , antes del reemplazo definitivo por el GAF Jindivik . [12] El término sigue siendo de uso común.

Un vehículo aéreo no tripulado (UAV) se define como un "vehículo aéreo motorizado que no lleva un operador humano, utiliza fuerzas aerodinámicas para proporcionar elevación del vehículo, puede volar de forma autónoma o ser pilotado de forma remota, puede ser prescindible o recuperable y puede llevar un carga útil letal o no letal ". [13] UAV es un término que se aplica comúnmente a casos de uso militar. [14] Sin embargo, los misiles con ojivas no se consideran UAV porque el vehículo en sí es una munición.

El término sistema de aeronaves no tripuladas ( UAS ) fue adoptado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD) y la Administración Federal de Aviación de los Estados Unidos (FAA) en 2005 de acuerdo con su Hoja de ruta del sistema de aeronaves no tripuladas 2005-2030. [15] La Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) y la Autoridad de Aviación Civil Británica adoptaron este término, también utilizado en la hoja de ruta de investigación de la Unión Europea sobre el cielo único europeo (SES), la gestión del tráfico aéreo (ATM) (Empresa común SESAR). para 2020. [16]Este término enfatiza la importancia de elementos distintos a la aeronave. Incluye elementos como estaciones de control en tierra, enlaces de datos y otros equipos de apoyo. Un término similar es un sistema de vehículos de aeronaves no tripuladas (UAVS), vehículo aéreo pilotado a distancia (RPAV), sistema de aeronaves pilotadas a distancia (RPAS). [17] Se utilizan muchos términos similares. "Desocupado" y "deshabitado" se utilizan ocasionalmente como alternativas neutrales al género a "no tripulado".

Además del software, los drones autónomos también emplean una serie de tecnologías avanzadas que les permiten llevar a cabo sus misiones sin intervención humana, como computación en la nube, visión por computadora, inteligencia artificial, aprendizaje automático, aprendizaje profundo y sensores térmicos. [18]

En virtud de las nuevas reglamentaciones que entraron en vigor el 1 de junio de 2019, el Gobierno canadiense adoptó el término RPAS ( sistema de aeronaves pilotadas a distancia) para significar "un conjunto de elementos configurables que consisten en una aeronave pilotada a distancia, su estación de control, el mando y control enlaces y cualquier otro elemento del sistema necesario durante la operación de vuelo ". [19]

La relación de los UAV con los modelos de aviones controlados a distancia no está clara. [ cita requerida ] UAV pueden o no incluir aviones modelo. Algunas jurisdicciones basan su definición en el tamaño o el peso; sin embargo, la FAA de EE. UU. define cualquier nave voladora sin tripulación como un UAV independientemente de su tamaño. Para usos recreativos, un dron (a diferencia de un UAV) es un modelo de avión que tiene video en primera persona, capacidades autónomas o ambos. [20]

Clasificaciones

Los UAV pueden clasificarse como cualquier otro avión , según la configuración de diseño, como el peso o el tipo de motor, la altitud máxima de vuelo, el grado de autonomía operativa, la función operativa, etc.

Basado en el peso

Según su peso, los drones se pueden clasificar en cinco categorías: nano (con un peso de hasta 250 g), vehículos aéreos micro (MAV) (250 g - 2 kg), UAV en miniatura o pequeños (SUAV) (2-25 kg), mediano (25-150 kg) y grande (más de 150 kg). [21]

Según el grado de autonomía

Los drones también podrían clasificarse en función del grado de autonomía en sus operaciones de vuelo. La OACI clasifica las aeronaves sin tripulación como aeronaves pilotadas a distancia o totalmente autónomas. [22] Algunos UAV ofrecen grados intermedios de autonomía. Por ejemplo, un vehículo que se pilota de forma remota en la mayoría de los contextos pero tiene una operación autónoma de retorno a la base. Algunos tipos de aeronaves pueden volar opcionalmente tripulados o como UAV, que pueden incluir aeronaves tripuladas transformadas en UAV sin tripulación u opcionalmente pilotadas (OPV).

Basado en la altitud

Según la altitud, se han utilizado las siguientes clasificaciones de UAV [¿ por quién? ] en eventos de la industria como el foro ParcAberporth Unmanned Systems:

  • Portátil de 2000 pies (600 m) de altitud, aproximadamente 2 km de alcance
  • Cerca de 5,000 pies (1,500 m) de altitud, hasta 10 km de alcance
  • Tipo OTAN 10,000 pies (3,000 m) de altitud, hasta 50 km de alcance
  • Altitud táctica de 5.500 m (18.000 pies), alcance de aproximadamente 160 km
  • MASCULINO (altitud media, larga resistencia) hasta 30.000 pies (9.000 m) y alcance de más de 200 km
  • HALE (gran altitud, larga duración) de más de 9.100 m (30.000 pies) y alcance indefinido
  • Hipersónico de alta velocidad, supersónico (Mach 1–5) o hipersónico (Mach 5+) 50.000 pies (15.200 m) o altitud suborbital, alcance de más de 200 km
  • Órbita terrestre baja orbital (Mach 25+)
  • Transferencia Lunar Tierra-Luna CIS
  • Sistema de guía de transporte asistido por computadora (CACGS) para UAV

Basado en los criterios compuestos

Un ejemplo de clasificación basada en los criterios compuestos es la clasificación de los UAV de los sistemas aéreos no tripulados (UAS) de las Fuerzas Armadas de los EE. UU. En función del peso, la altitud máxima y la velocidad del componente del UAV.

Historia

Artículo principal: Historia de los vehículos aéreos no tripulados.
Winston Churchill y otros esperando ver el lanzamiento de un dron objetivo de Havilland Queen Bee , 6 de junio de 1941
Un Ryan Firebee , uno de una serie de drones / vehículos aéreos sin piloto que volaron por primera vez en 1951. Museo de la Fuerza Aérea de Israel, base aérea de Hatzerim, Israel, 2006
Últimos preparativos antes de la primera misión táctica UAV a través del canal de Suez (1969). De pie: Mayor Shabtai Brill del cuerpo de inteligencia israelí, el innovador del UAV táctico.
El mastín israelí Tadiran , que voló por primera vez en 1975, es visto por muchos como el primer UAV moderno en el campo de batalla, debido a su sistema de enlace de datos, merodeo de resistencia y transmisión de video en vivo. [23]

Drones tempranos

El primer uso registrado de un vehículo aéreo no tripulado para la guerra ocurrió en julio de 1849, [24] sirviendo como porta-globos (el precursor del portaaviones ) [25] en el primer uso ofensivo del poder aéreo en la aviación naval . [26] [27] [28] Las fuerzas austriacas que sitiaban Venecia intentaron lanzar unos 200 globos incendiarios contra la ciudad sitiada. Los globos se lanzaron principalmente desde tierra; sin embargo, algunos también fueron lanzados desde el barco austriaco SMS  Vulcano. Al menos una bomba cayó en la ciudad; sin embargo, debido a que el viento cambió después del lanzamiento, la mayoría de los globos perdieron su objetivo y algunos volvieron a la deriva sobre las líneas austriacas y el barco de lanzamiento Vulcano . [29] [30] [31]

El desarrollo significativo de drones comenzó a principios de la década de 1900 y originalmente se centró en proporcionar objetivos de práctica para entrenar al personal militar. El primer intento de un UAV motorizado fue el "Objetivo Aéreo" de AM Low en 1916. [32] Low confirmó que el monoplano de Geoffrey de Havilland fue el que voló bajo control el 21 de marzo de 1917 utilizando su sistema de radio. [33] Otros desarrollos británicos no tripulados siguieron durante y después de la Primera Guerra Mundial que llevaron a la flota de más de 400 blancos aéreos de Havilland 82 Queen Bee que entraron en servicio en 1935.

Nikola Tesla describió una flota de vehículos aéreos de combate sin tripulación en 1915. [34] Estos desarrollos también inspiraron la construcción del Kettering Bug por Charles Kettering de Dayton, Ohio y el Hewitt-Sperry Automatic Airplane . Inicialmente concebido como un avión sin tripulación que llevaría una carga explosiva a un objetivo predeterminado. El primer vehículo pilotado a distancia a escala fue desarrollado por la estrella de cine y entusiasta de los aeroplanos modelo Reginald Denny en 1935. [32]

Segunda Guerra Mundial

El desarrollo continuó durante la Primera Guerra Mundial , cuando la Compañía de Aviones Dayton-Wright inventó un torpedo aéreo sin piloto que explotaría en un momento preestablecido. [35] En 1940, Denny fundó la Compañía Radioplane y surgieron más modelos durante la Segunda Guerra Mundial  , utilizados tanto para entrenar artilleros antiaéreos como para misiones de ataque aéreo. La Alemania nazi produjo y utilizó varios aviones UAV durante la guerra, como el Argus As 292 y la bomba voladora V-1 con motor a reacción . Después de la Segunda Guerra Mundial, el desarrollo continuó en vehículos como el estadounidense JB-4.(utilizando la guía de mando por televisión / radio), el GAF australiano Jindivik y Teledyne Ryan Firebee I de 1951, mientras que compañías como Beechcraft ofrecieron su Modelo 1001 para la Marina de los EE. UU. en 1955. [32] Sin embargo, eran poco más que controlados a distancia. aviones hasta la guerra de Vietnam .

Período de posguerra

En 1959, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos , preocupada por la pérdida de pilotos en territorio hostil, comenzó a planificar el uso de aviones sin tripulación. [36] La planificación se intensificó después de que la Unión Soviética derribara un U-2 en 1960. En cuestión de días, un programa de vehículos aéreos no tripulados altamente clasificado comenzó con el nombre en clave de "Red Wagon". [37] El choque de agosto de 1964 en el Golfo de Tonkin entre las unidades navales de los EE. UU. Y la Armada de Vietnam del Norte inició los UAV altamente clasificados de Estados Unidos ( Ryan Modelo 147 , Ryan AQM-91 Firefly , Lockheed D-21 ) en sus primeras misiones de combate de Vietnam. Guerra .[38] Cuando el gobierno chino [39] mostró fotografías de vehículos aéreos no tripulados estadounidenses derribados a través de Wide World Photos , [40] la respuesta oficial estadounidense fue "sin comentarios".

Durante la Guerra de Desgaste (1967-1970), los primeros vehículos aéreos no tripulados tácticos instalados con cámaras de reconocimiento fueron probados por primera vez por la inteligencia israelí, trayendo con éxito fotos del otro lado del canal de Suez. Esta fue la primera vez que los UAV tácticos que podían lanzarse y aterrizar en cualquier pista corta (a diferencia de los UAV más pesados ​​basados ​​en aviones) se desarrollaron y probaron en la batalla. [41]

En la Guerra de Yom Kippur de 1973 , Israel utilizó vehículos aéreos no tripulados como señuelos para estimular a las fuerzas opuestas a desperdiciar costosos misiles antiaéreos. [42] Después de la guerra de Yom Kippur de 1973, algunas personas clave del equipo que desarrolló este UAV temprano se unieron a una pequeña empresa de inicio que tenía como objetivo desarrollar UAV en un producto comercial, finalmente comprado por Tadiran y que condujo al desarrollo del primer UAV israelí UAV. [43] [ páginas necesarias ]

En 1973, el ejército estadounidense confirmó oficialmente que habían estado usando UAV en el sudeste asiático (Vietnam). [44] Más de 5.000 aviadores estadounidenses habían muerto y más de 1.000 más estaban desaparecidos o capturados . El Ala 100 de Reconocimiento Estratégico de la USAF voló alrededor de 3.435 misiones de UAV durante la guerra [45] a un costo de aproximadamente 554 UAV perdidos por todas las causas. En palabras del General de la USAF George S. Brown , Comandante, Comando de Sistemas de la Fuerza Aérea , en 1972, "La única razón por la que necesitamos (UAV) es que no queremos gastar innecesariamente al hombre en la cabina". [46] Más tarde ese año, el general John C. Meyer , comandante en jefe,El Comando Aéreo Estratégico , declaró, "dejamos que el dron haga el vuelo de alto riesgo ... la tasa de pérdidas es alta, pero estamos dispuestos a arriesgar más de ellos ... ¡salvan vidas!" [46]

Durante la Guerra de Yom Kippur de 1973 , las baterías de misiles tierra-aire suministradas por los soviéticos en Egipto y Siria causaron graves daños a los aviones de combate israelíes . Como resultado, Israel desarrolló el IAI Scout como el primer UAV con vigilancia en tiempo real. [47] [48] [49] Las imágenes y los señuelos de radar proporcionados por estos vehículos aéreos no tripulados ayudaron a Israel a neutralizar completamente las defensas aéreas sirias al comienzo de la Guerra del Líbano de 1982 , lo que resultó en que ningún piloto cayera. [50]En Israel, en 1987, los UAV se utilizaron por primera vez como prueba de concepto de súper agilidad, vuelo controlado posterior a la pérdida en simulaciones de vuelo de combate que involucraban control de vuelo de vectorización de empuje tridimensional, sin cola, basado en tecnología sigilosa, y jet- direccion. [51]

UAV modernos

Con la madurez y la miniaturización de las tecnologías aplicables en las décadas de 1980 y 1990, el interés por los UAV creció dentro de los escalones más altos del ejército estadounidense. En la década de 1990, el Departamento de Defensa de EE. UU. Otorgó un contrato a AAI Corporation junto con la empresa israelí Malat. La Marina de los Estados Unidos compró el UAV AAI Pioneer que AAI y Malat desarrollaron conjuntamente. Muchos de estos vehículos aéreos no tripulados entraron en servicio en la Guerra del Golfo de 1991 . Los UAV demostraron la posibilidad de máquinas de combate más baratas y capaces, desplegables sin riesgo para las tripulaciones aéreas. Las generaciones iniciales involucraron principalmente aviones de vigilancia , pero algunos llevaban armamento , como el General Atomics MQ-1 Predator , que lanzó misiles aire-tierra AGM-114 Hellfire..

CAPECON fue un proyecto de la Unión Europea para desarrollar vehículos aéreos no tripulados [52] que se desarrolló entre el 1º de mayo de 2002 y el 31 de diciembre de 2005. [53]

A partir de 2012, la USAF empleó 7.494 UAV, casi uno de cada tres aviones de la USAF. [54] [55] La Agencia Central de Inteligencia también operaba UAV . [56] En 2013, al menos 50 países utilizaban vehículos aéreos no tripulados. China, Irán, Israel, Pakistán, Turquía y otros [ ¿cuál? ] diseñó y construyó sus propias variedades. El uso de drones ha seguido aumentando. [57] Debido a su amplia proliferación, no existe una lista completa de sistemas UAV. [55] [58]

El desarrollo de tecnologías inteligentes y sistemas de energía eléctrica mejorados condujo a un aumento paralelo en el uso de drones para las actividades de aviación general y de consumo. A partir de 2021, los drones quadcopter ejemplifican la popularidad generalizada de los juguetes y aviones controlados por radio como afición , sin embargo, el uso de vehículos aéreos no tripulados en la aviación comercial y general está limitado por la falta de autonomía y los nuevos entornos regulatorios que requieren un contacto visual con el piloto.

En 2020, un dron Kargu 2 persiguió y atacó a un objetivo humano en Libia , según un informe del Panel de Expertos del Consejo de Seguridad de la ONU sobre Libia, publicado en marzo de 2021. Esta puede haber sido la primera vez que un robot asesino autónomo armado con armamento letal atacó a seres humanos. [59] [60]

Diseño

Estructura física general de un UAV

Las aeronaves con tripulación y sin tripulación del mismo tipo generalmente tienen componentes físicos reconociblemente similares. Las principales excepciones son el sistema de control ambiental y de cabina o los sistemas de soporte vital . Algunos UAV llevan cargas útiles (como una cámara) que pesan considerablemente menos que un humano adulto y, como resultado, pueden ser considerablemente más pequeñas. Aunque llevan cargas útiles pesadas, los UAV militares armados son más livianos que sus homólogos tripulados con armamentos comparables.

Los vehículos aéreos no tripulados civiles pequeños no tienen sistemas críticos para la vida y , por lo tanto, pueden construirse con materiales y formas más livianos pero menos resistentes, y pueden usar sistemas de control electrónico menos robustos probados. Para los UAV pequeños, el diseño de los cuadricópteros se ha vuelto popular, aunque este diseño rara vez se usa para aviones tripulados. La miniaturización significa que se pueden utilizar tecnologías de propulsión menos potentes que no son factibles para aviones tripulados, como pequeños motores eléctricos y baterías.

Los sistemas de control de los vehículos aéreos no tripulados suelen ser diferentes a los de las naves tripuladas. Para el control humano remoto, una cámara y un enlace de video casi siempre reemplazan las ventanas de la cabina; Los comandos digitales transmitidos por radio reemplazan los controles físicos de la cabina. El software de piloto automático se utiliza tanto en aeronaves tripuladas como sin tripulación, con diferentes conjuntos de características.

Configuración de aeronaves

La principal diferencia con los aviones tripulados es la falta de necesidad de un área de cabina y sus ventanas. Sin embargo, algunos tipos están adaptados a partir de ejemplos piloto, o están diseñados para modos operacionales pilotos o no tripulados opcionales. La seguridad aérea también es un requisito menos crítico para los aviones no tripulados, lo que permite al diseñador una mayor libertad para experimentar. Estos dos factores han dado lugar a una gran variedad de configuraciones de fuselajes y motores en los UAV.

Para el vuelo convencional, el ala volante y el cuerpo del ala combinada ofrecen un peso ligero combinado con baja resistencia y sigilo , y son configuraciones populares. Los tipos más grandes que llevan una carga útil variable tienen más probabilidades de presentar un fuselaje distinto con una cola para la estabilidad, el control y el ajuste, aunque las configuraciones de las alas en uso varían ampliamente.

Para vuelo vertical, el quadcopter sin cola requiere un sistema de control relativamente simple y es común para UAV más pequeños. Sin embargo, el mecanismo no se adapta bien a aviones más grandes, que tienden a utilizar un solo rotor convencional con control de paso colectivo y cíclico, junto con un rotor de cola estabilizador. [61]

Propulsión

Los motores a reacción y de combustión interna tradicionales siguen utilizándose para los drones que requieren un largo alcance. Sin embargo, para misiones de corto alcance, la energía eléctrica se ha hecho cargo casi por completo. El récord de distancia para un UAV (construido con madera de balsa y piel de mylar) a través del Océano Atlántico Norte está en manos de un modelo de avión de gasolina o UAV. Manard Hill "en 2003 cuando una de sus creaciones voló 1,882 millas a través del Océano Atlántico con menos de un galón de combustible" tiene este récord. [62]

Además del motor de pistón tradicional, algunos drones utilizan el motor rotativo Wankel . Este tipo ofrece una salida de alta potencia para un peso menor, con un funcionamiento más silencioso y sin vibraciones. También se han hecho afirmaciones para una mayor confiabilidad y mayor alcance. [ cita requerida ]

Los drones pequeños utilizan principalmente baterías de polímero de litio (Li-Po), mientras que algunos vehículos más grandes han adoptado la pila de combustible de hidrógeno . La densidad de energía de las baterías Li-Po modernas es mucho menor que la de la gasolina o el hidrógeno. Sin embargo, los motores eléctricos son más baratos, ligeros y silenciosos. Se están desarrollando instalaciones complejas de múltiples motores y múltiples hélices con el objetivo de mejorar la eficiencia aerodinámica y propulsora. Para instalaciones de energía tan complejas, los circuitos de eliminación de batería (BEC) se pueden utilizar para centralizar la distribución de energía y minimizar el calentamiento, bajo el control de una unidad de microcontrolador (MCU).

Ornitópteros - propulsión de ala

Los ornitópteros de alas batientes , que imitan pájaros o insectos, se han volado como microUAV . Su sigilo inherente los recomienda para misiones de espionaje.

Los microUAV de menos de 1g inspirados en las moscas, aunque utilizan una correa de sujeción, han podido "aterrizar" en superficies verticales. [63] Otros proyectos imitan el vuelo de escarabajos y otros insectos. [64]

Sistemas de control por computadora

La capacidad informática de los UAV siguió los avances de la tecnología informática, comenzando con los controles analógicos y evolucionando hacia los microcontroladores, luego el sistema en un chip (SOC) y las computadoras de placa única (SBC).

El hardware del sistema para vehículos aéreos no tripulados pequeños a menudo se denomina controlador de vuelo (FC), placa de controlador de vuelo (FCB) o piloto automático.

Arquitectura

Sensores

Los sensores de posición y movimiento brindan información sobre el estado de la aeronave. Los sensores exteroceptivos manejan información externa como mediciones de distancia, mientras que los exproprioceptivos correlacionan estados internos y externos. [sesenta y cinco]

Los sensores no cooperativos pueden detectar objetivos de forma autónoma, por lo que se utilizan para garantizar la separación y evitar colisiones. [66]

Los grados de libertad (DOF) se refieren tanto a la cantidad como a la calidad de los sensores a bordo: 6 DOF implica giroscopios y acelerómetros de 3 ejes (una unidad de medición inercial típica  - IMU), 9 DOF se refiere a una IMU más una brújula, 10 DOF agrega un barómetro y 11 DOF generalmente agrega un receptor GPS. [67]

Actuadores

Los actuadores UAV incluyen controladores de velocidad electrónicos digitales (que controlan las RPM de los motores) vinculados a motores / motores y hélices , servomotores (para aviones y helicópteros principalmente), armas, actuadores de carga útil, LED y altavoces.

Software

Software UAV llamado pila de vuelo o piloto automático. El propósito de la pila de vuelo es obtener datos de los sensores, controlar los motores para garantizar la estabilidad del UAV y facilitar el control en tierra y la comunicación de planificación de la misión. [68]

Los UAV son sistemas en tiempo real que requieren una respuesta rápida a los datos cambiantes de los sensores. Como resultado, los UAV dependen de las computadoras de placa única para sus necesidades computacionales. Ejemplos de tales computadoras de placa única incluyen Raspberry Pis , Beagleboards , etc. blindados con NavIO , PXFMini , etc. o diseñados desde cero como NuttX , preemptive- RT Linux , Xenomai , Orocos-Robot Operating System o DDS-ROS 2.0 .

Descripción general de la pila de vuelos
CapaRequisitoOperacionesEjemplo
FirmwareTiempo criticoDesde el código de la máquina hasta la ejecución del procesador, el acceso a la memoriaArduCopter-v1, PX4
MiddlewareTiempo criticoControl de vuelo, navegación, gestión de radio.PX4, Cleanflight, ArduPilot
Sistema operativoIntensivo en informáticaFlujo óptico, evitación de obstáculos, SLAM, toma de decisionesROS, Nuttx, distribuciones de Linux, Microsoft IOT

Las pilas de código abierto de uso civil incluyen:

  • ArduCopter
  • CrazyFlie
  • KKMultiCopter
  • MultiWii
    • BaseFlight (bifurcado de MultiWii)
      • CleanFlight (bifurcado de BaseFlight)
        • BetaFlight (bifurcado de CleanFlight)
        • iNav (bifurcado de CleanFlight)
        • RaceFlight (bifurcado de CleanFlight)
  • OpenPilot
    • dRonin (bifurcado de OpenPilot)
    • LibrePilot (bifurcado de OpenPilot)
    • TauLabs (bifurcado de OpenPilot)
  • Paparazzi
  • Piloto automático PX4
    • DroneCode (organización paraguas que gestiona PX4 dentro de la Fundación Linux )

Debido a la naturaleza de código abierto del software UAV, se pueden personalizar para adaptarse a aplicaciones específicas. Por ejemplo, investigadores de la Universidad Técnica de Košice han reemplazado el algoritmo de control predeterminado del piloto automático PX4. [69] Esta flexibilidad y esfuerzo de colaboración ha dado lugar a una gran cantidad de diferentes pilas de código abierto, algunas de las cuales se bifurcan de otras, como CleanFlight, que se bifurca desde BaseFlight y de las que se bifurcan otras tres pilas.

Principios de bucle

Bucles de control de vuelo típicos para un multirotor

Los UAV emplean arquitecturas de control de circuito abierto, circuito cerrado o híbridas.

  • Lazo abierto  : este tipo proporciona una señal de control positiva (más rápida, más lenta, izquierda, derecha, arriba, abajo) sin incorporar retroalimentación de los datos del sensor.
  • Circuito cerrado  : este tipo incorpora retroalimentación de sensor para ajustar el comportamiento (reducir la velocidad para reflejar el viento de cola, moverse a una altitud de 300 pies). El controlador PID es común. A veces, se emplea feedforward , lo que transfiere la necesidad de cerrar aún más el ciclo. [70]

Comunicaciones

Los UAV utilizan una radio para controlar e intercambiar video y otros datos . Los primeros vehículos aéreos no tripulados solo tenían un enlace ascendente de banda estrecha . Los enlaces descendentes llegaron más tarde. Estos enlaces de radio bidireccionales de banda estrecha transportaban datos de mando y control (C&C) y de telemetría sobre el estado de los sistemas de la aeronave al operador remoto.

En la mayoría de las aplicaciones de UAV modernas, se requiere transmisión de video. Entonces, en lugar de tener enlaces separados para C&C, telemetría y tráfico de video, se usa un enlace de banda ancha para transportar todo tipo de datos. Estos enlaces de banda ancha pueden aprovechar las técnicas de calidad de servicio y transportar tráfico TCP / IP que puede enrutarse a través de Internet.

La señal de radio del lado del operador puede emitirse desde:

  • Control terrestre: un ser humano que opera un transmisor / receptor de radio , un teléfono inteligente, una tableta, una computadora o el significado original de una estación de control terrestre militar (GCS) .
  • Sistema de red remoto, como enlaces de datos dúplex por satélite para algunas potencias militares . El video digital downstream a través de redes móviles también ha ingresado a los mercados de consumo, mientras que el enlace ascendente de control directo de UAV sobre la malla celular y LTE se ha demostrado y está en pruebas. [71]
  • Otro avión, que sirve como relevo o estación de control móvil: equipo militar tripulado y no tripulado (MUM-T). [72]

Los estándares de redes modernos han considerado explícitamente los drones y, por lo tanto, incluyen optimizaciones. El estándar 5G ha exigido una latencia reducida del plano del usuario a 1 ms mientras utiliza comunicaciones ultra confiables y de baja latencia. [73]

Autonomía

Artículo principal: Aviones autónomos
Grados de autonomía del UAV

El nivel de autonomía de los vehículos aéreos no tripulados varía ampliamente. Los fabricantes de vehículos aéreos no tripulados a menudo incorporan operaciones autónomas específicas, como: [ cita requerida ]

  • Autonivelación: estabilización de actitud en los ejes de cabeceo y balanceo.
  • Retención de altitud: la aeronave mantiene su altitud mediante presión barométrica y / o datos de GPS.
  • Estacionar / mantener la posición: Mantenga el cabeceo y balanceo nivelados, el rumbo y la altitud de guiñada estables mientras mantiene la posición utilizando GNSS o sensores de inercia.
  • Modo sin cabeza: control de cabeceo relativo a la posición del piloto en lugar de relativo a los ejes del vehículo.
  • Sin preocupaciones: control automático de balanceo y guiñada mientras se mueve horizontalmente
  • Despegue y aterrizaje (utilizando una variedad de aeronaves o sensores y sistemas terrestres; consulte también " aterrizaje automático ")
  • A prueba de fallas: aterrizaje automático o regreso a casa en caso de pérdida de la señal de control
  • Regreso a casa: Vuele de regreso al punto de despegue (a menudo ganando altitud primero para evitar posibles obstrucciones intermedias, como árboles o edificios).
  • Sígueme: mantenga la posición relativa a un piloto en movimiento u otro objeto utilizando GNSS, reconocimiento de imágenes o baliza de referencia.
  • Navegación por puntos de ruta GPS: uso de GNSS para navegar a una ubicación intermedia en una ruta de viaje.
  • Órbita alrededor de un objeto: similar a Sígueme pero rodeando continuamente un objetivo.
  • Acrobacias aéreas preprogramadas (como rollos y bucles)

Un enfoque para cuantificar las capacidades autónomas se basa en la terminología OODA , como sugirió un Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de los EE . UU. En 2002 , y se utiliza en la siguiente tabla: [74]

X-47B recibe combustible de un petrolero Omega K-707

La autonomía total está disponible para tareas específicas, como el reabastecimiento de combustible en el aire [75] o el cambio de batería en tierra.

Otras funciones disponibles o en desarrollo incluyen; vuelo colectivo, prevención de colisiones en tiempo real , seguimiento de muros, centrado de pasillos, localización simultánea y mapeo y enjambre , radio cognitiva y aprendizaje automático .

Consideraciones de rendimiento

Sobre de vuelo

Los UAV pueden programarse para realizar maniobras agresivas o aterrizar / posarse en superficies inclinadas, [76] y luego escalar hacia mejores puntos de comunicación. [77] Algunos UAV pueden controlar el vuelo con diferentes modelos de vuelo, [78] [79] como los diseños VTOL.

Los UAV también pueden implementar posarse en una superficie vertical plana. [80]

Aguante

Motor UEL UAV-741 Wankel para operaciones de UAV
Tiempo de vuelo contra la masa de drones pequeños (menos de 1 kg) [65]

La resistencia del UAV no está limitada por las capacidades fisiológicas de un piloto humano.

Debido a su pequeño tamaño, bajo peso, baja vibración y alta relación potencia / peso, los motores rotativos Wankel se utilizan en muchos vehículos aéreos no tripulados grandes. Los rotores de sus motores no se pueden atascar; el motor no es susceptible al enfriamiento por choque durante el descenso y no requiere una mezcla de combustible enriquecida para enfriar a alta potencia. Estos atributos reducen el uso de combustible, aumentando el alcance o la carga útil.

El enfriamiento adecuado de los drones es esencial para la resistencia a largo plazo de los drones. El sobrecalentamiento y la posterior falla del motor es la causa más común de falla de los drones. [81]

Las celdas de combustible de hidrógeno , que utilizan energía de hidrógeno, pueden extender la resistencia de los vehículos aéreos no tripulados pequeños, hasta varias horas. [82] [83] [84]

La resistencia de los micro vehículos aéreos se logra hasta ahora mejor con UAV de alas batientes, seguidos por aviones y multirrotores en último lugar, debido al menor número de Reynolds . [sesenta y cinco]

Los UAV solares-eléctricos, un concepto originalmente defendido por AstroFlight Sunrise en 1974, han logrado tiempos de vuelo de varias semanas.

Los satélites atmosféricos alimentados por energía solar ("atmósferas") diseñados para operar a altitudes superiores a 20 km (12 millas o 60.000 pies) durante cinco años podrían realizar tareas de forma más económica y con más versatilidad que los satélites en órbita terrestre baja . Las aplicaciones probables incluyen monitoreo del clima , recuperación de desastres , imágenes de la tierra y comunicaciones.

Los UAV eléctricos que funcionan con transmisión de energía de microondas o rayos de energía láser son otras posibles soluciones de resistencia. [85]

Otra aplicación para un UAV de alta resistencia sería "mirar" un campo de batalla durante un intervalo largo (ARGUS-IS, Gorgon Stare, Integrated Sensor Is Structure) para registrar eventos que luego podrían reproducirse al revés para rastrear las actividades del campo de batalla.

Vuelos largos de resistencia
UAV
Horas de tiempo de vuelo : minutos		FechaNotas
Boeing cóndor58:111989El avión se encuentra actualmente en el Museo de Aviación Hiller .

[86]

Mosquito Atómico General40:001992[87] [88]
TAM-538:5211 de agosto de 2003UAV más pequeño para cruzar el Atlántico

[89]

QinetiQ Zephyr Solar Electric54:00Septiembre de 2007[90] [91]
RQ-4 Global Hawk33:0622 de marzo de 2008Establezca un récord de resistencia para una aeronave sin tripulación operativa a gran escala. [92]
QinetiQ Zephyr Solar Electric82:3728 a 31 de julio de 2008[93]
QinetiQ Zephyr Solar Electric336: 229 a 23 de julio de 2010[94]

Fiabilidad

Las mejoras de confiabilidad apuntan a todos los aspectos de los sistemas UAV, utilizando técnicas de ingeniería de resiliencia y tolerancia a fallas .

La confiabilidad individual cubre la robustez de los controladores de vuelo, para garantizar la seguridad sin redundancia excesiva para minimizar el costo y el peso. [95] Además, la evaluación dinámica de la envolvente de vuelo permite UAV resistentes a daños, utilizando análisis no lineales con bucles diseñados ad hoc o redes neuronales. [96] La responsabilidad del software UAV se inclina hacia el diseño y las certificaciones del software de aviónica tripulado . [97]

La resiliencia del enjambre implica mantener las capacidades operativas y reconfigurar las tareas en caso de fallas de la unidad. [98]

Aplicaciones

Artículo principal: Lista de aplicaciones de vehículos aéreos no tripulados

En los últimos años, los drones autónomos han comenzado a transformar varias áreas de aplicación, ya que pueden volar más allá de la línea visual de visión (BVLOS) [99] mientras maximizan la producción, reducen los costos y riesgos, garantizan la seguridad del sitio, la seguridad y el cumplimiento normativo, [100] y proteger la fuerza laboral humana en tiempos de pandemia. [101] También se pueden utilizar para misiones relacionadas con el consumidor, como la entrega de paquetes, como lo demuestra Amazon Prime Air , y entregas críticas de suministros de salud.

Existen numerosas aplicaciones civiles, comerciales, militares y aeroespaciales para UAV. [6] Estos incluyen:

General
Recreación , socorro en casos de desastre , arqueología , conservación de la biodiversidad y el hábitat , aplicación de la ley , crimen y terrorismo .
Comercial
Vigilancia aérea , realización de películas , periodismo , investigación científica , topografía , transporte de carga , minería , manufactura , silvicultura , cultivo solar , energía térmica , puertos y agricultura .

Guerra

Artículo principal: Vehículo aéreo de combate no tripulado.

Con importantes reducciones de costos y avances en la tecnología de vehículos aéreos no tripulados, las fuerzas de defensa de todo el mundo los utilizan cada vez más para diversas aplicaciones, como vigilancia, logística, comunicaciones, [102] ataque y combate [103] [104].

A partir de 2020, diecisiete países tienen vehículos aéreos no tripulados armados y más de 100 países utilizan vehículos aéreos no tripulados con capacidad militar. [105] El mercado mundial de vehículos aéreos no tripulados militares está dominado por empresas con sede en los Estados Unidos, China [106] e Israel. En cifras de ventas, EE. UU. Tenía más del 60% de participación en el mercado militar en 2017. Cuatro de los cinco principales fabricantes de vehículos aéreos no tripulados militares son estadounidenses, incluidos General Atomics , Lockheed Martin , Northrop Grumman y Boeing , seguidos de la empresa china CASC . [107]China ha establecido y ampliado su presencia en el mercado de vehículos aéreos no tripulados militares desde 2010. De los 18 países que se sabe que recibieron aviones no tripulados militares entre 2010 y 2019, los 12 principales compraron sus aviones no tripulados en China. [107] Las empresas de Israel se centran principalmente en el sistema de vehículos aéreos no tripulados de vigilancia pequeños y, por cantidad de drones, Israel exportó el 60,7% (2014) de los vehículos aéreos no tripulados en el mercado, mientras que los Estados Unidos exportaron el 23,9% (2014); Los principales importadores de vehículos aéreos no tripulados militares son el Reino Unido (33,9%) y la India (13,2%). Solo Estados Unidos operó más de 9.000 vehículos aéreos no tripulados militares en 2014. [108] General Atomics es el fabricante dominante con la línea de productos de sistemas Global Hawk y Predator / Mariner.

Para misiones de inteligencia y reconocimiento, el sigilo inherente de los ornitópteros de alas batientes de micro UAV , que imitan pájaros o insectos, ofrece potencial para la vigilancia encubierta y los convierte en objetivos difíciles de derribar.

Reconocimiento , ataque , desminado y práctica de tiro.

Civil

Avión de Wing entregando mercancías en Vuosaari , Helsinki.

El mercado de drones civiles (comerciales y generales) está dominado por empresas chinas. El fabricante chino de drones DJI solo tenía el 74% de la participación del mercado civil en 2018, sin que ninguna otra empresa representara más del 5%, y con 11 mil millones de dólares pronosticados en ventas globales en 2020. [109] Tras un mayor escrutinio de sus actividades, el Interior de EE. UU. El Departamento puso en tierra su flota de drones DJI en 2020, mientras que el Departamento de Justicia prohibió el uso de fondos federales para la compra de DJI y otros UAV fabricados en el extranjero. [110] [111] A DJI le siguen la empresa china Yuneec , la empresa estadounidense 3D Robotics y la empresa francesa Parrot, con una importante brecha en la cuota de mercado. [112]A mayo de 2021, se han registrado 873,576 UAV en la FAA de EE. UU., De los cuales el 42% están categorizados como drones comerciales y el 58% como drones recreativos. [113] El NPD de 2018 apunta a que los consumidores compran cada vez más drones con funciones más avanzadas con un crecimiento del 33 por ciento en los segmentos de mercado de $ 500 + y $ 1000 +. [114]

El mercado de vehículos aéreos no tripulados civiles es relativamente nuevo en comparación con el militar. Están surgiendo empresas tanto en países desarrollados como en desarrollo al mismo tiempo. Muchas startups en etapa inicial han recibido apoyo y financiamiento de inversionistas como es el caso en los Estados Unidos y de agencias gubernamentales como es el caso de India. [115] Algunas universidades ofrecen programas o títulos de investigación y formación. [116] Las entidades privadas también ofrecen programas de formación en línea y presenciales para uso comercial y recreativo de vehículos aéreos no tripulados. [117]

Los drones de consumo también son ampliamente utilizados por organizaciones militares en todo el mundo debido a la naturaleza rentable del producto de consumo. En 2018, el ejército israelí comenzó a usar las series de UAV DJI Mavic y Matrice para misiones de reconocimiento ligero, ya que los drones civiles son más fáciles de usar y tienen una mayor confiabilidad. Los drones DJI son también el sistema aéreo no tripulado comercial más utilizado que ha empleado el Ejército de los EE. UU. [118] [119] La policía china también ha utilizado drones de vigilancia DJI en Xinjiang desde 2017. [120] [121]

El mercado mundial de vehículos aéreos no tripulados alcanzará los 21.470 millones de dólares EE.UU., y el mercado indio tocará la marca de los 885,7 millones de dólares EE.UU. para 2021. [122]

Los drones iluminados están comenzando a usarse en exhibiciones nocturnas con fines artísticos y publicitarios. [123]

Fotografía aérea

Los drones son ideales para capturar tomas aéreas en fotografía y cinematografía, y se utilizan ampliamente para este propósito. Los drones pequeños evitan la necesidad de una coordinación precisa entre piloto y camarógrafo, con la misma persona asumiendo ambos roles. Sin embargo, en los grandes drones con cámaras de cine profesionales, suele haber un piloto de drones y un operador de cámara que controla el ángulo y la lente de la cámara. Por ejemplo, el dron de cine AERIGON que se utiliza en la producción cinematográfica de películas de gran éxito es operado por 2 personas. [124] Los drones brindan acceso a sitios peligrosos, remotos e incómodos que son inaccesibles por medios ordinarios. [ cita requerida ]

Agricultura y Bosques

Artículo principal: Drone agrícola

A medida que la demanda mundial de producción de alimentos crece exponencialmente, los recursos se agotan, las tierras de cultivo se reducen y la mano de obra agrícola es cada vez más escasa, existe una necesidad urgente de soluciones agrícolas más convenientes e inteligentes que los métodos tradicionales, y la industria de la robótica y los drones agrícolas está aumentando. se espera que avance. [125] Se han utilizado drones agrícolas en áreas como África para ayudar a construir una agricultura sostenible. [126]

También se está investigando el uso de vehículos aéreos no tripulados para ayudar a detectar y combatir incendios forestales, ya sea a través de la observación o el lanzamiento de dispositivos pirotécnicos para iniciar los contrafuegos . [127]

Cumplimiento de la ley

Artículo principal: Uso de vehículos aéreos no tripulados en la aplicación de la ley

La policía puede usar drones para aplicaciones como búsqueda y rescate y monitoreo del tráfico . [128]

Seguridad y proteccion

Ver también: Lista de incidentes relacionados con UAV
Póster del Departamento de Agricultura de EE. UU. Advirtiendo sobre los riesgos de volar vehículos aéreos no tripulados cerca de incendios forestales

Amenazas

Molestia

Los UAV pueden amenazar la seguridad del espacio aéreo de numerosas formas, incluidas colisiones involuntarias u otras interferencias con otras aeronaves, ataques deliberados o distrayendo a los pilotos o controladores de vuelo. El primer incidente de colisión de un avión no tripulado ocurrió a mediados de octubre de 2017 en la ciudad de Quebec, Canadá. [129] El primer caso registrado de colisión de un dron con un globo de aire caliente ocurrió el 10 de agosto de 2018 en Driggs, Idaho , Estados Unidos; aunque no hubo daños significativos en el globo ni lesiones a sus 3 ocupantes, el piloto del globo informó del incidente a la Junta Nacional de Seguridad en el Transporte , indicando que "Espero que este incidente ayude a crear una conversación de respeto por la naturaleza, el espacio aéreo y Reglas y regulaciones".[130] Los vuelos de vehículos aéreos no tripulados no autorizados hacia o cerca de los principales aeropuertos han provocado cierres prolongados de vuelos comerciales. [131]

Los drones causaron una interrupción significativa en el aeropuerto de Gatwick durante diciembre de 2018 , lo que requirió el despliegue del ejército británico. [132] [133]

En los Estados Unidos, volar cerca de un incendio forestal se castiga con una multa máxima de $ 25,000. No obstante, en 2014 y 2015, el apoyo aéreo de extinción de incendios en California se vio obstaculizado en varias ocasiones, incluso en Lake Fire [134] y North Fire . [135] [136] En respuesta, los legisladores de California presentaron un proyecto de ley que permitiría a los bomberos inhabilitar los vehículos aéreos no tripulados que invadieron el espacio aéreo restringido. [137] Posteriormente, la FAA exigió el registro de la mayoría de los vehículos aéreos no tripulados.

Vulnerabilidades de seguridad

Para 2017, se estaban utilizando drones para lanzar contrabando en las cárceles. [138]

El interés en la seguridad cibernética de los UAV ha aumentado enormemente después del incidente de secuestro de la transmisión de video del UAV Predator en 2009, [139] donde militantes islámicos utilizaron equipos baratos y listos para usar para transmitir videos desde un UAV. Otro riesgo es la posibilidad de secuestrar o bloquear un UAV en vuelo. Varios investigadores de seguridad han hecho públicas algunas vulnerabilidades en vehículos aéreos no tripulados comerciales, en algunos casos incluso proporcionando código fuente completo o herramientas para reproducir sus ataques. [140] En un taller sobre vehículos aéreos no tripulados y privacidad en octubre de 2016, los investigadores de la Comisión Federal de Comercio demostraron que podían piratear tres cuadricópteros de consumo diferentes.y señaló que los fabricantes de vehículos aéreos no tripulados pueden hacer que sus vehículos aéreos no tripulados sean más seguros mediante las medidas de seguridad básicas de cifrar la señal de Wi-Fi y agregar protección con contraseña. [141]

Agresión

Los UAV podrían cargarse con cargas útiles peligrosas y estrellarse contra objetivos vulnerables. Las cargas útiles pueden incluir explosivos, peligros químicos, radiológicos o biológicos. Los UAV con cargas útiles generalmente no letales podrían posiblemente ser pirateados y utilizados con fines maliciosos. Los estados están desarrollando sistemas anti-UAV para contrarrestar esta amenaza. Sin embargo, esto está resultando difícil. Como dijo el Dr. J. Rogers en una entrevista con A&T: "Existe un gran debate en este momento sobre cuál es la mejor manera de contrarrestar estos pequeños vehículos aéreos no tripulados, ya sea que los utilicen los aficionados que causan un poco de molestia o de una manera más". de manera siniestra por parte de un actor terrorista ". [142]

Contramedidas

Contrarrestar el sistema de aire no tripulado

Italianos del Ejército soldados de la 17a Artillería Antiaérea del regimiento de "Sforzesca" con un portátil [1] RPC-Drone Jammer en Roma
Más información: guerra electrónica

El uso malicioso de vehículos aéreos no tripulados ha llevado al desarrollo de tecnologías de sistemas aéreos no tripulados (C-UAS) como el Aaronia AARTOS que se han instalado en los principales aeropuertos internacionales. [143] [144] Los sistemas de misiles antiaéreos, como el Iron Dome , también se están mejorando con tecnologías C-UAS.

Regulación

Artículo principal: Regulación de vehículos aéreos no tripulados

Los organismos reguladores de todo el mundo están desarrollando soluciones de gestión del tráfico de sistemas de aeronaves no tripuladas para integrar mejor los UAV en el espacio aéreo. [145]

El uso de vehículos aéreos no tripulados (UAV) o drones está cada vez más regulado por la autoridad nacional de aviación de cada país. Los regímenes regulatorios pueden diferir significativamente según el tamaño y el uso del dron. La Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) comenzó a explorar el uso de tecnología de drones ya en 2005, lo que resultó en un informe de 2011. [146] Francia fue uno de los primeros países en establecer un marco nacional basado en este informe y organismos de aviación más grandes como la FAA y la EASA siguieron rápidamente su ejemplo. [147]En 2021, la FAA publicó una regla que exige que todos los UAV de uso comercial y todos los UAV, independientemente de la intención que pesen 250 go más, participen en Remote ID , lo que hace que las ubicaciones de los drones, las ubicaciones de los controladores y otra información sean públicas desde el despegue hasta el apagado; Desde entonces, esta regla ha sido impugnada en la demanda federal pendiente RaceDayQuads v. FAA . [148] [149]

Controles de exportación

La exportación de vehículos aéreos no tripulados o tecnología capaz de transportar una carga útil de 500 kg al menos 300 km está restringida en muchos países por el Régimen de Control de Tecnología de Misiles .

Ver también

  • Lista de vehículos aéreos no tripulados
  • Drone de entrega
  • Drone en una caja
  • Concurso Internacional de Robótica Aérea
  • Lista de películas con drones
  • Insecto volador micromecánico
  • ParcAberporth
  • Cuadricóptero
  • Aeronaves radiocontroladas
  • Proyecto Satellite Sentinel
  • Sistema de control táctico
  • Estación de control terrestre UAV
  • Vehículo submarino no tripulado

Referencias

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enlaces externos

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