Los drones y sus aplicaciones, grandes alas para la aviación

Aplicaciones en la agricultura, misiones de salvamento, ayuda humanitaria, control de fauna, inspección de infraestructuras, conductos de gas y líneas eléctricas de alta tensión, son sólo algunas de las innumerables posibilidades que ofrece la utilización de los drones. La rapidez de su desarrollo conlleva también la necesidad de instrumentar una normalización de uso que permita convivir a estas naves no tripuladas con la aviación convencional.

Si bien puede dar la sensación de que el fenómeno Dron es algo que ha surgido de la noche a la mañana, la realidad es que se trata de un proceso de maduración tecnológica (y social) de más de 100 años. El 10 de diciembre de 1902, nuestro genio Leonardo Torres Quevedo asombró a la comunidad científica al solicitar a Francia la patente “Systema dit télékine pour commander á distance un mouvement mécanique”, que no es otra cosa que el proyecto telekino, primer sistema de mando a distancia para gobernar las pruebas de su dirigible, sin poner en riesgo vidas humanas. Este proyecto, que fue materializado por Torres Quevedo teledirigiendo barcos y triciclos al comienzo del siglo pasado, fue el embrión de los actuales RPAS (Remotely Piloted Aircraft System), conocidos popularmente como drones. Por tanto, el primer proyecto de drone de la historia fue un Globo Drone.

A Leonardo Torres, desde su época de estudiante en la Escuela de Ingenieros de Caminos, le fascinaban las máquinas que ejecutan o facilitan los cálculos. En 1893, presentó al Ministerio de Fomento su primer trabajo científico, La Máquina para resolver Ecuaciones Numéricas de todos los grados. Recibió un apoyo total por parte de la institución, lo que le permitió crear en 1896 una máquina para resolver ecuaciones de ocho términos. Cuatro años más tarde presentó la memoria “Machines à Caculer” a la Academia de Ciencias de París, que sería incluida en el Repertorio de Sabios Extranjeros. Una vez reconocido como sabio, se dedicaría a estudiar la navegación aérea, resolviendo los problemas de la estabilidad de forma y en vuelo de los dirigibles con su conocido modelo semirrígido de quilla y suspensión interior. 

Preocupado por la seguridad en las pruebas, en 1902 inventa el telekino, del que José Echegaray diría “se mueve automáticamente; es un autómata de cierta inteligencia, no consciente, pero sí disciplinada; un aparato material, sin inteligencia, interpretando, como si fuera inteligente, las instrucciones que se le comunican; un aparato sensible a esa luz oscura que hemos llamado onda Hertziana, que interpreta y distribuye una serie de mandatos recibidos en una sucesión de ondas Hertzianas”.

La infinidad de genialidades del Leonardo Torres Quevedo, el “Ingeniero Total”, según Francisco A. González Redondo, merecen publicación dedicada muy extensa pero, para entender hasta qué punto los Sistemas de Aeronaves Pilotadas por Control Remoto que actualmente denominamos Drones, tienen su origen en sus estudios, debemos poner de relieve que, tras la creación del telekino, Torres Quevedo, entra de lleno en la aplicación de la tecnología electromecánica para automatizar las operaciones, dando origen a la rama de la ciencia que hoy conocemos como “automática”. Su trabajo “Ensayos sobre Automática” que aparece publicada en enero de 1914 en la Revista de la Real Academia de Ciencias de Madrid, es una obra pionera y fundamental en la historia mundial de la automática, la informática, la cibernética y la inteligencia artificial.

Por otro lado, el tipo de dron que más ha calado en la sociedad, por su facilidad de maniobra, despegue vertical y estabilidad, es el de ala rotatoria multirotor o multicóptero, que al igual que el helicóptero, tiene su precursor en el genial Juan de la Cierva Codorniu, quien proyectó el autogiro con el objetivo de buscar una solución al problema de la entrada en pérdida de las aeronaves de ala fija y las consecuencias catastróficas que esto tiene. 

Desde su aparición, el fenómeno dron ha suscitado un tremendo interés, debido fundamentalmente a su coste reducido, disminución de riesgos operacionales y facilidad de manejo

Reseñar para los amantes de la aviación que Juan de la Cierva Codorniu, junto con sus dos amigos, José Barcala, antiguo compañero de estudios, y Pablo Díaz, hijo de un carpintero, fundó la sociedad B.C.D., cuyas siglas correspondían con las iniciales de sus tres apellidos. Esta empresa fue pionera en el desarrollo aeronáutico dentro de España, y gracias a su capacidad, en 1912, cuando De la Cierva contaba sólo con 16 años, lograron construir y hacer volar un avión biplano apodado el Cangrejo, que recibió la designación BCD-1.

Innovación que hace historia

A aquellos que hemos sido aeromodelistas desde la infancia, el fenómeno dron ha venido a modificar nuestro controvertido estatus social de friki que practica un deporte extremadamente tecnológico a, con algo de aplicación, llegar a ser piloto de RPAS (Remotely Piloted Aircraft System). De esta guisa, y dada la imposición del frenético ritmo innovador que propulsa la actual sociedad globalizada, se ha pasado en apenas un año de tratar de ponernos de acuerdo y explicar que la palabra correcta para denominar a las aeronaves que vuelan sin tripulación UAV (Unmaned Aircraft Vehicle), era RPA (del inglés Remotely-Piloted Aircraft), a admitir y aceptar la denominación Dron. Está claro que la velocidad de innovación es muy superior a la capacidad de regulación, por lo que se necesita un gran esfuerzo para encauzar los avances y establecer procedimientos para garantizar una producción y uso fructífero y ante todo seguro. 

Desde su aparición, el fenómeno dron ha suscitado un tremendo interés, debido fundamentalmente a su coste reducido, disminución de riesgos operacionales y facilidad de manejo, que le ha llevado a ser de utilidad en multitud de aplicaciones tanto civiles como militares.

Los europeos fueron los primeros en desarrollar los principios de la aeronáutica, comenzando a volar precisamente modelos no tripulados que podrían ser considerados los primeros de la historia. La barrera tecnológica que impedía realizar vuelos tripulados era la dificultad para disponer de un motor con suficiente relación potencia-peso que permitiera mantenerse en vuelo. Fue a las 10:35 am del 17 de diciembre de 1903 cuando los hermanos Wright, fabricantes de bicicletas, con un motor de 12 CV y 80 Kg, lograron alzar el vuelo convirtiéndose en los primeros en realizar un vuelo propulsado en un aparato más pesado que el aire.

De inmediato, y a pesar de la sana primera idea de Torres sobre teledirigir globos como protección de tripulaciones, se despertó el interés por poder usar estos aparatos como torpedos, para lo cual, era preciso que pudiese controlarse sin piloto a bordo. En marzo de 1918, el Curtiss N-9 Aerial Torpedo realiza un exitoso vuelo de 1.000 metros y, durante la Primera Guerra Mundial, Charles Kettering (inventor del generador delco) desarrolló un UAV biplano, el Bug (mosquito), con un alcance de 160 Km, una velocidad máxima de 80 Km/h y una carga de pago en explosivos de unos 80 Kg, que lograría alcanzar una altitud de 3.000m.

De este modo, los aviones no tripulados se fueron desarrollando al amparo de las necesidades bélicas, siendo usados como blancos aéreos en el período de entreguerras. Tras la Primera Guerra Mundial, Reginald Denny, Walter Righter y Kenneth Case, desarrollaron un conjunto de vehículos aéreos no tripulados denominados RP1, RP2, RP3 y RP4, que eran aeromodelos de radiocontrol de bajo coste, con objeto de servir de entrenamiento a los artilleros. En 1939, fundaron la Radioplane Company, donde trabajaría como ensambladora a sus 18 años, la emblemática actriz Marilyn Monroe (Norma Jean Baker).

Tras las guerras mundiales, este tipo de aeronaves se utilizan para misiones de reconocimiento y señuelo, obtención de fotografías, vídeo, inteligencia electrónica, contramedidas electromagnéticas, comunicaciones de inteligencia en tiempo real, suelta de folletos para guerra psicológica, confirmación de daños, etc.

En los años 90, la mayor disponibilidad del sistema de posicionamiento global (GPS) y de las comunicaciones satélite, liberó a los UAS de operar dentro del alcance de la señal de radio y de los sistemas de navegación basados en giróscopos y datos de aire. Esto, junto con los sistemas digitales de control de vuelo (DFCS) permitió el desarrollo de sistemas de medio y largo alcance. Ya en el siglo XXI, surge la necesidad de transportar radares de apertura sintética (SAR), voluminosos y pesados, a distancias cada vez mayores. Esto ha propiciado la creación de UAS cada vez más grandes y pesados como los Predator B (con motor turbohélice) y el Golbal Hawk (con motor turbofan).

Llegados a este punto, lo primero que se nos viene a la cabeza es que el mundo de los drones es extremadamente multidisciplinar. Como robot que tiene la particularidad de desplazarse por el aire, requiere para su desarrollo, de equipos humanos especializados en todas las áreas de la ciencia e ingeniería; cálculo de estructuras, ciencia de materiales, aerodinámica y mecánica de fluidos, automatización, electrónica, control, y por supuesto las TIC. 

Aplicaciones civiles

El gran empuje que desde el punto de vista de la innovación tiene el mundo de los drones, se manifiesta en la gran participación conjunta que se está llevando a cabo a nivel nacional, consciente de que el trabajo en equipo es crucial para poder estar a la altura del desarrollo tecnológico. Grandes empresas e instituciones junto con las distintas universidades de todas las ramas de ingeniería, aeronáutica, telecomunicaciones, minas,..., colaboran estrechamente y de forma comprometida y transparente con el tejido industrial que se está creando entorno a estos robots aéreos, facilitando la creación de Clusters en diversas regiones como Madrid, Andalucía (El arenosillo_Huelva), Galicia (Rozas_Lugo), etc., lo cual repercute directamente en el aseguramiento del desarrollo tecnológico y en la continua aparición de empresas entorno a toda esta actividad industrial.

Entre las numerosas aplicaciones que se están desarrollando alrededor de los drones, destacan la agricultura de precisión; la inspección de infraestructuras, conductos de gas y líneas eléctricas de alta tensión; la supervisión de autopistas y líneas férreas; control de fauna, valores atmosféricos y de calidad biológica del aire, contaminación y erosión del suelo, control de la dinámica glacial, yacimientos arqueológicos, búsqueda anticipada de bancos de peces para flotas en alta mar; topografía y fotogrametría; filmación, ocio y entretenimiento; vigilancia de incendios, antifurtivos, guardacostas; auxilio en situaciones de accidentes y/o desastres, con traslado de medicación, agua, víveres, salvamento marítimo, traslado de desfibriladores (proyecto de dron ambulancia). Incluso, como en los primeros tiempos de la aviación comercial tripulada, se ven aplicaciones en el servicio de correos, sobre todo para el reparto en zonas de difícil acceso.           

Como robot que tiene la particularidad de desplazarse por el aire, requiere para su desarrollo, de equipos humanos especializados en todas las áreas de la ciencia e ingeniería

De entre todas las aplicaciones, el proyecto de uso terapéutico “Aplicación del control de los RPAS de ala rotatoria al tratamiento del trastorno por Déficit de Atención-Hiperactividad”es quizá el que mejor demuestra como los RPAS han llegado para motivar y fortalecer las relaciones científicas multidisciplinares. Esta aplicación ha sido presentada por un equipo de científicos procedentes de la diversas universidades: la Politécnica de Madrid (ETSI Aeronáutica y del Espacio), la Complutense, y la Autónoma (Facultad de Psicología), así como el centro Neuromottiva. Se trata de una aplicación que pretende asociar el estado de concentración del paciente, medido a través de ciertas características de la respuesta, a un movimiento de la aeronave. Dado que el déficit se asocia con alteraciones del sistema motivacional de los pacientes, el uso de un feedback y un refuerzo tan llamativo como los drones, supondría un enriquecimiento sustancial de la recompensa percibida por los participantes en el proceso de aprendizaje, lo que contribuiría a mejorar la eficacia de la intervención con neurofeedback sobre este tipo de trastorno, así como a fomentar la adherencia al tratamiento.

El espacio aéreo

La realidad arrasadora de la innovación continua que vivimos, impone la aceptación de una nueva forma de uso del espacio aéreo, que obliga a apresurarse en el análisis y estudio de su adaptación e integración en el mismo. Con el objetivo de demostrar, a través de pruebas reales en vuelo, la viabilidad de integración de los RPAS en espacio aéreo no segregado y en convivencia con las aeronaves tripuladas, se han unido alrededor de la empresa público privada SESAR Joint Undertaking y liderado por ISDEFE, un nutrido grupo de entidades entre las que figuran ENAIRE, Inta, Fada-Catec y Crida. Con el apoyo de la Agencia Estatal de Seguridad Aérea (AESA) y del Ejército del Aire Español, van a llevar a cabo un proyecto consorcio denominado Demorpas. 

Es decir, ya está en marcha el estudio de aspectos normativos y de seguridad de las operaciones, así como la búsqueda de soluciones alternativas para procedimientos y tecnologías, cuando no sea posible emplear las que existen actualmente.

Pero estos sistemas radio controlados, ocupan un espacio aéreo cada día más saturado. Por ello, además de preocuparnos por el cumplimiento de las actuales reglas del aire, se hace imprescindible el mantenimiento de comunicaciones seguras y fiables.

Las comunicaciones son una necesidad operativa de primer orden, siendo imprescindibles, entre otras, las emisiones que dan soporte a la radiolocalización, cuya información es esencial para la detección, localización y seguimiento de las aeronaves, para el Control del Espacio Aéreo y para la coordinación de la circulación aérea. A ello hay que añadir las que permiten ejercer el mando y control, las necesarias para la operación de las capacidades y las que posibilitan la propia ejecución de las operaciones asignadas.

En nuestro país, es el Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias, dependiente del Ministerio de Industria, Energía y Turismo, el instrumento legal utilizado para asignar a los distintos servicios de radiocomunicaciones las diferentes bandas de frecuencias. 

El debate de la privacidad

Los primeros incidentes preocupantes con drones son fáciles de intuir. Por una lado, el hecho de ser tan sencillo situar un sistema de visión en altura, permite un ángulo privilegiado de observación que despierta todas las alarmas sobre la ley de garantía de privacidad y por otra parte, la facilidad de acceso y uso de estos sofisticados robots, hacen que manos inexpertas y sin formación puedan utilizarlos sin tener conciencia sobre el peligro que representan, poniendo en riesgo bienes materiales y humanos. 

En cuanto a la privacidad, existe un gran debate que implica de lleno no sólo a particulares sino a todo el sector periodístico, ya que la infinidad de aplicaciones para medir y analizar todo tipo de información, es una fuente potencial de noticias científicas y medioambientales. Además, los drones abren un amplio abanico de posibilidades para los medios de comunicación.

El uso indebido de drones, está provocando la búsqueda acelerada de soluciones para lograr al menos su detección temprana en cercanías a lugares de peligro. En este sentido, se están desarrollando sistemas de detección radar, unidos a sensores térmicos, acústicos y de vídeo, junto con sonar y efectos disuasorios, con el fin de evitar daños accidentales por su presencia. Empresas como THALES ó Advanced Radar Tecnologies, están muy avanzadas en estas investigaciones.  

Trabajos coordinados

Ha sido el fenómeno dron, dado que es un robot y por tanto íntimamente ligado al desarrollo de la Inteligencia Artificial, el que ha puesto de moda la palabra sajona swarming (swarm, enjambre, nube, multitud), referida al control cooperativo. El interés por el diseño de sistemas compuestos por multitud de agentes autónomos en los que todos ellos ejecuten de forma cooperativa y coordinada una misión (enjambres de RPAS) es cada vez mayor. La propuesta de futuro es que los RPAS trabajen de forma coordinada y cooperativa, tanto en escenarios donde todos los vehículos sean no tripulados como en aquellos donde exista una colaboración en la misión entre tripulados y no tripulados. En estos casos, trabajarán en una red de sensores cooperativa en misiones relacionadas con búsqueda, rescate, monitorización, vigilancia interior y exterior, etc.

Por ejemplo, la Marina norteamericana, mediante el programa de Arquitectura de Control para el Mando y la Detección de Agentes Robóticos, ha realizado una serie de experimentos en los que hasta trece embarcaciones han realizado determinadas maniobras para proteger una embarcación de alto valor, al tiempo que efectúan un bloqueo sobre un posible enemigo emergente detectado por un helicóptero SH-60 Seahawk.

Una vez se desarrollen estas técnicas de inteligencia artificial, será posible que los drones realicen trabajos en equipo. Para ello será necesario lograr la combinación de información procedente de diferentes sensores e interpretar los datos heterogéneos obtenidos por éstos, de forma que los robots puedan llevar a cabo actuaciones y actividades de control. Entonces, serán de una inestimable ayuda en acciones de búsqueda, mantenimiento de vida y rescate, control de plagas, etc., que hoy por hoy, pertenecen aún al campo de la ciencia ficción, pero que, sin lugar a dudas, facilitará la vida de generaciones futuras. 

Los proyectos más arraigados en la actualidad en nuestro país, pueden ser los relacionados con la agricultura de precisión y la ingeniería civil. Son una realidad proyectos sobre la detección de malas hierbas en época temprana sobre cultivos herbáceos y leñosos a través del uso de imágenes aéreas obtenidas por medio de tecnología UAV y la generación de mapas de tratamiento georreferenciados, con el objetivo de realizar un control localizado de las malas hierbas. Así mismo, es clara su utilidad para controles en cultivos, detección de stress hídrico (falta de riego) en cultivos apostando por el manejo eficiente del agua, detección de stress nutricional en cultivos (para un uso óptimo de fertilizantes sólo en las zonas en las que es necesaria su aplicación), detección temprana de enfermedades y plagas en cultivos, obtención de índices relativos a calidad en los mismos, generación de inventarios de áreas de cultivos, y supervisión de zonas fumigadas. 

Con un dron, los agricultores pueden disponer de información sobre el estado hídrico, nivel de desarrollo y sanidad de cultivos, prácticamente en tiempo real, lo que les permite aplicar tratamientos sanitarios, riegos o fertilizaciones en zonas en las que se detecten dichas necesidades.

Iniciativas como las de la aceleradora extremeña Agrotech, e investigaciones como las dirigidas en el CSIC (IAS_Instituto de Agricultura Sostenible) por Francisca López Granados, entorno a la “agricultura de precisión y teledetección”, tienen como objetivo la optimización del uso de agroquímicos y el desarrollo de una flota de robots inteligentes (aéreos y terrestres) dotados de sensores y algoritmos de decisión capaces de minimizar el uso de herbicidas, reduciendo costes y maximizando la calidad y la seguridad alimentaria de los cultivos.

La ingeniería civil tiene como aplicaciones más consolidadas todo tipo de inspecciones, destacando la supervisión de líneas eléctricas, los trabajos en el AVE a la Meca, así como la inspección de aerogeneradores. La inaccesibilidad y riesgo que para las personas suponían este tipo de trabajos, han quedado resueltos con el uso del amigo Drone. 

El mundo dron abre la mente a nuevas ideas de todos los ámbitos, como la reciente moda de fabricación de las estructuras de multirotores en máquinas de impresión 3D. Toda una simbiosis tecnológica que acerca y motiva para aprender aparentemente jugando. 

Un punto importante a tener en cuenta a la hora de trabajar con RPAS, es el de la necesidad de encriptación del sistema pues, será el operador el responsable último del vuelo y, no debemos olvidar que hoy día, todo sistema informático y en comunicación puede ser víctima de los hackers. Por ello hay que familiarizarse con los sistemas de encriptación, especialmente el relativo a las comunicaciones.

Invitación a la imaginación

La invitación a la innovación que supone el dron, es amplísima. Recientemente, Miguel Ángel Oleaga, director del aeropuerto de Barajas desde 2001 a 2013, proponía como ejemplo de innovación, la utilización de un “robot para interpretar el índice de clasificación de pavimentos de pistas, calles de rodaje y plataformas (Sistema de Gestión de Pavimentos).

Dentro también de esta iniciativa institucional de apoyo a la innovación, la directora de la Agencia Estatal de Seguridad Aérea, Isabel Maestre, visitó el pasado día 2 de junio de 2016, las instalaciones del Centro de Apoyo a la Innovación Tecnológica, en el Campus de Excelencia Internacional de Montegancedo de la Universidad Politécnica de Madrid, para comprobar in situ cómo trabajan diferentes empresas aeronáuticas especializadas en drones, así como diversos ejemplos de innovación por conexión y de usos de aeronaves pilotadas por control remoto para la mejora de las seguridad aeroportuaria. 

En definitiva, los RPAS tienen que llegar a estar integrados en el espacio aéreo y deben ser tan seguros como la aviación tripulada. La posibilidad de que se lleguen a ver aeronaves no tripuladas conviviendo con las aeronaves tripuladas pasa por el desarrollo de los programas de detección y evitación de obstáculos, así como toda la inteligencia artificial necesaria para que la captación de datos, su procesado y la consiguiente toma de decisiones de un dron sea equiparable a la de un avión tripulado. 

El mundo dron abre la mente a nuevas ideas de todos los ámbitos

Nos encontramos en un punto de inflexión, en el que se produce todo un cambio de paradigma, dada la imperante y vertiginosa realidad del avance innovador internacional, azuzado por la facilidad de acceso a la información de todo tipo y por supuesto también técnica que ofrecen las TIC (tecnologías de la información y las comunicaciones), a lo que hay que añadir el abaratamiento de producción de sistemas complejos. En estos momentos, se producen unas áreas comunes entre el dron recreacional, el RPA y la aeronave autónoma que hacen realmente difícil discernir en muchos casos su ámbito real de actuación.

Lo que está demostrado es el tremendo poder motivador para la innovación que aporta el dron, por lo que habría que habría que acercar el mundo de los drones a los jóvenes millennials, nativos de la era digital y sus hermanos pequeños la generación Z, con el objeto de que encuentren el incentivo necesario para realizar estudios en el área de las ciencias, puesto que va a ser necesario disponer un gran capital humano de alta cualificación que sustente la nueva era en la que entramos donde, la innovación continua y el desarrollo tecnológico serán la clave de supervivencia. Hobbies que unen tecnología y deporte como el aeromodelismo, las carreras de drones, etc., pueden colaborar de forma exitosa con este objetivo.

EL SECTOR, EN CIFRAS

En mayo de 2016 y tras 22 meses de normativa sobre drones, el sector cuenta con: 

• 1.337 operadores
• 2.456 aeronaves registradas
• Más de 2.000 pilotos habilitados en AESA
• 71 vuelos de prueba demostración o investigación autorizados
• 65 Escuelas ATOS que imparten cursos de piloto de drones
• 89 organismos entre operadores y fabricantes que imparten formación práctica
• Genera un negocio de113.000 millones de euros a nivel mundial, según el informe de PwC “Clarity from above”.