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domingo 25 de octubre del 2020
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Drones: Ciencia de Vuelo

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Drones: Ciencia de Vuelo

 

 

Los vehículos aéreos no tripulados proliferan fuera de las bases militares: hoy se usan para fotografía aérea, mapeo o vigilancia. También están ganando popularidad como herramienta de investigación científica.

 

ü&n bsp; Español:

En la víspera del Súper Tazón número 49, que se jugó el pasado 1 de febrero en el estadio de la Universidad de Phoenix en Glendale, Arizona —donde los Patriotas de Nueva Inglaterra le ganaron a los Halcones Marinos de Seattle— se repetía en las estaciones de radio estadounidenses un curioso anuncio: “¿Vas a asistir al gran juego? Diviértete, echa porras a tu equipo, pero no arruines el espectáculo, deja tu dron en casa”. Esto lo decía una cálida voz femenina que se distinguía del ruido de fondo de una multitud de aficionados que presenciaban un juego en el estadio debía ser una zona libre de drones. El exhorto, patrocinado por la Federación Estadunidense de Aviación (FAA), parece broma, pero es un asunto muy serio. La madrugada del 26 de febrero pasado un mini dron DJI Phantom —un helicóptero de cuatro hélices y un kilogramo de peso— traspasó las rejas de la Casa Blanca y tras estrellarse con un árbol, cayó finalmente en el jardín sur del inmueble. El mini dron entró debido al error de un aficionado que lo operaba en las cercanías sin ser detectado por los radares sensibles a objetos más grandes, como misiles o aviones. El accidente no tuvo mayores consecuencias, pero llevó a algunos críticos a preguntarse ¿qué habría pasado si el aparato que entró a la residencia del presidente Barack Obama hubiera llevado explosivos o armas químicas?

ü  Inglés:

On the eve of Super Bowl number 49, which was played on February 1 at the University of Phoenix Stadium in Glendale, Arizona, where the New England Patriots earned him the Seahawks Seattle- it repeated at stations American radio a curious announcement: "are you going to attend the big game? Have fun, take cheer your team, but do not ruin the show, leave your drone at home. " This he said a warm female voice stood out from the background noise of a crowd of fans who witnessed a game at the stadium should be a zone free of drones. The warrant, sponsored by the US Federation Aviation Administration (FAA), seems joke, but it is a very serious matter. The morning of Feb. 26 after a mini helicopter drone DJI Phantom -a four propellers and one kilogram of weight- passed the gates of the White House after crashing into a tree, finally fell in the south garden of the property. The mini drone came because of the error of an amateur who operated in the vicinity without being detected by sensitive radars to larger objects such as missiles or aircraft. The accident had no major consequences, but led some critics to wonder what would have happened if the device entered the residence of President Barack Obama had carried explosives or chemical weapons?

Palabras Clave:

ü  Drones

ü  Vehículos

ü  Aire

ü  Mapeo

ü  Vigilancia

ü  Investigación

ü  Helicóptero

ü  Hélices

ü  Cámaras

Introducción:

n Legislación para uso de drones en México

 

Los drones son muy útiles en tareas de vigilancia, mapeo e investigación, pero no hay duda que también pueden ser mal usados, ya sea en forma deliberada (como el espionaje o el transporte de drogas o explosivos) o accidental (que uno de estos vehículos dañe redes eléctricas o interfiera operaciones en zonas de aeropuertos). Por ello han comenzado a establecerse reglamentaciones que toman en cuenta tanto sus ventajas como su impacto económico y en la seguridad y privacidad. En México la Dirección General de Aeronáutica Civil (DGAC) de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes emitió una nueva circular sobre el tema el pasado 8 de abril, que deben observar tanto personas físicas como morales. Esta circular (CO AV-23/10 R2) establece diferentes restricciones a las aeronaves pilotadas a distancia (RPAS), a las que agrupa en tres categorías, según su peso: menores de 2 kg (micro); entre 2 y 25 kg (ligero); y las que exceden esta cifra (pesado). Sólo los primeros pueden ser operados sin necesidad de permiso de la DGAC. Pero sin son usados con fines comerciales deben contratar un seguro de daños a terceros. Los drones o RPAS micros no pueden volar a una altitud mayor a 122 metros sobre el nivel del suelo, ni exceder una velocidad máxima de entre 20.89 km/h y 55 km/h dependiendo de su peso máximo de despegue. El documento señala también restricciones aplicables a todos los RPAS. Por ejemplo: sólo pueden operarse durante el día y en áreas clasificadas como no prohibidas. Asimismo, deben volarse al menos a 9.2 y 3.7 km de los aeropuertos y aeródromos controlados, respectivamente, y tienen prohibido transportar o dejar caer objetos que puedan dañar a personas o sus bienes.

 

La guerra y la paz

Los vehículos o sistemas aéreos no tripulados (UAV o UAS, por sus siglas en inglés) comenzaron a fabricarse y a usarse durante la Segunda Guerra Mundial para cumplir misiones peligrosas o tener acceso a lugares de difícil incursión para aviones pilotados. Con estas armas bélicas los ejércitos podían tener un ojo en el cielo y vigilar a sus enemigos sin ser descubiertos. Por sus evidentes ventajas como poco peso y maniobrabilidad, el uso de drones (en inglés la palabra alude al zumbido de un motor) pronto se extendió a labores civiles como vigilancia del tráfico, monitoreo en zonas de desastre, mapeo y fotografía aérea. Sin embargo, su auge masivo comenzó hace apenas una década, tras la reducción de costos de sistemas de geolocalización como el GPS.

 

Hoy existen modelos de bajo costo como el AR.Drone 2.0 de la compañía francesa Parrot, que puede controlarse desde el teléfono celular con ayuda de una aplicación, así como servicios de filmación que ofrecen espectaculares tomas aéreas con estos dispositivos. Incluso la popular compañía Amazon anunció en 2013 su propósito de establecer un programa de entrega de paquetes Prime Air mediante drones (en YouTube puede verse un video titulado Amazon Prime Air que muestra cómo sería ese servicio). Si bien todavía está pendiente la reglamentación del uso de drones con fines comerciales en Estados Unidos, en marzo pasado la FAA otorgó a Amazon la autorización para hacer vuelos experimentales a no más de 122 metros de altura y únicamente durante el día.

El auge de los drones, que muchos califican como revolución, promete cambiarlo todo: desde el comercio y los servicios, hasta el entretenimiento. También los científicos han estado aprovechando estos vehículos para fines civiles desde los años 70, cuando la NASA envío algunos drones a sondear la atmósfera terrestre a grandes altitudes, según refiere Emma Marris en un artículo publicado en 2013 en la revista Nature cuyo título fue “Los drones en la ciencia: vuela y tráeme datos”.

 

Robots voladores

 

Hoy algunas disciplinas científicas como la geología, la climatología y la hidrología no podrían prescindir de los vuelos rasantes de estos aparatos para efectuar reconocimientos y estudios en la corteza terrestre, los mares o el aire. Pero ¿cómo funcionan? El autopiloto de un dron es la llamada central inercial, un instrumento de navegación que a partir de los movimientos del aparato calcula su posición, orientación y velocidad lineal. Esta central integra un conjunto de sensores que recogen información vital para dar al dron autonomía y estabilidad de vuelo. El investigador Gerardo Flores, del Laboratorio Franco- Mexicano de Informática y Control Automático (LAFMIA), localizado en el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, señala que estos sensores son giroscopios, acelerómetros, magnetómetros y altímetros. A esta configuración básica se añaden otros componentes secundarios según el uso específico que se le dará al vehículo, como equipo de geolocalización, cámara de imágenes ópticas o infrarrojas, sonar, sensor láser, etcétera. Con sensores apropiados, algoritmos para detección de imágenes, filtros de cámara y dispositivos de control, un dron puede estimar parámetros como la dirección del viento, la altitud, la velocidad de rotación o la distancia a la que se halla un edificio, y en caso necesario corregir su trayectoria para evitar colisiones.

 

 

Una vez que el UAV o dron ha captado la información deseada, se utilizan algoritmos matemáticos para procesar los datos provenientes de los diferentes sensores. Microcomputadoras a bordo o ubicadas en tierra a las que se envían las señales, ayudan a completar la labor del dron en tiempo real, clasificar los objetos que “ve” y controlar su trayectoria. Gracias a todo eso se logra su autonomía de vuelo y que ya sea un avión de ala fija o ala móvil o helicóptero, pueda seguir o modificar su ruta automáticamente en función del espacio y de las condiciones a su alrededor, tal cual lo haría un robot en tierra. Esta capacidad lo diferencia de los aparatos controlados a distancia, según la clasificación de la Organización Internacional de Aviación Civil.

 

 

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A ojo de pájaro

En México los drones ya se utilizan para monitoreo de especies silvestres, estudios del clima, mapeo y exploración de terrenos o vestigios arqueológicos, entre otras aplicaciones. En la UNAM, por ejemplo, un grupo de expertos desarrolla un sistema inteligente basado en ellos para el reconocimiento y clasificación de imágenes de la superficie terrestre en zonas de riesgo. Este proyecto realizado por académicos del Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico y el Instituto de Geofísica, pretende procesar las imágenes junto con información de variables climáticas, como vientos, temperatura, humedad, etc., para definir patrones que permitan pronosticar eventos como incendios forestales. Los investigadores desean también establecer los niveles de riesgo en las zonas observadas para diseñar programas de conservación, minimizar riesgos humanos o daños materiales, y en el largo plazo constituir un sistema de alerta temprana.

 

Otro proyecto es el de la Dra. Geneviève Lucet, del Instituto de Investigaciones Estéticas de la UNAM; ella utiliza un dron pequeño de seis aspas (hexacóptero), denominado Huitzilin (palabra que significa “colibrí” en náhuatl), al que ha adaptado un sistema GPS y una cámara para hacer fotografías aéreas de sitios arqueológicos. Luego integra estas fotos con un software que le permite obtener imágenes tridimensionales. Así ha logrado hacer planos de sitios arqueológicos mucho más detallados y precisos que los que ya existían.

Por su parte, la Secretaría Ejecutiva de la Reserva Ecológica del Pedregal de San Ángel, sitio a cargo de la UNAM, adquirió a finales de 2013 un hexacóptero DJIS-800EVO de manufactura china al que bautizó como Huitzilin-2. Este aparato de siete kilos de peso porta una videocámara Sony NEX-7, dos radio-controladores, una antena, un radiotransmisor para señales de video, además de sensores de altitud, posición y velocidad. Puede programarse para recorridos georreferenciados en vuelos de hasta 1 500 metros de elevación. Con él se han sobrevolado las 237 hectáreas de la reserva ecológica para observar sus límites, flora y fauna.

Armando Peralta, del Instituto de Geografía de la UNAM, es uno de los usuarios de Hutzilin-2: los mosaicos del espacio aéreo universitario ensamblados con las fotografías tomadas por el aparato le han servido para armar cartografías y modelar edificios en 3D. Los expertos en ciencias de la tierra tienen otras opciones como los servicios de imágenes satelitales gratuitos, por ejemplo, Google Earth, o de paga, pero a veces no brindan una resolución suficientemente alta o no alcanzan a cubrir el área deseada. Con un dron, en cambio, es posible realizar percepción remota a un menor costo. Debido a su tamaño y aerodinámica, un vehículo de este tipo puede volar a bajas altitudes y capturar imágenes más nítidas que las satelitales (la cifra típica es de unos seis centímetros de resolución espacial a 200 metros de altitud, mientras un satélite Landsat puede tomar fotos de 30 centímetros de resolución).

 

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Tec nología propia

 

Imaginemos un científico nuclear o una autoridad civil que desea explorar un reactor donde se ha detectado una falla, o un arqueólogo que pretenda mapear el área donde halló vestigios. Podrían adquirir un dron comercial de 300 dólares y adaptarle sensores adicionales si fuera necesario. Pero no es tan simple, “uno de estos juguetes chinos no podría usarse. Se necesita un instrumento diferente, con otras capacidades de vuelo y que soporte el peso del equipo requerido”, explica Sergio Salazar Cruz, quien labora también en el LAFMIA coordinando un grupo de 15 científicos mexicanos y seis franceses de la Unidad Mixta de Investigación.

Salazar ha apostado junto con sus alumnos que diseñan drones aéreos y submarinos basados en plataformas abiertas como Linux, a desarrollar tecnologías propias con menores costos que las importadas, y concebidas desde su origen para cubrir las necesidades de la ciencia y la industria nacionales. Entre las líneas de investigación que ahora indagan está la creación de sensores diminutos para aligerar el peso de los componentes electrónicos o nuevos algoritmos que detecten corrientes de aire favorables al vuelo. Otra de sus metas es construir drones con mayor autonomía de vuelo, dotados con sonares que les faciliten trazar mapas y autolocalizarse, con brazos robóticos para portar objetos o con sistemas de retroalimentación óptica como los usados en los videojuegos; estos últimos conectan el sentido del tacto del usuario con los escenarios virtuales generados por computadora para “sentir” cómo se navega un aparato.

Por lo pronto, los expertos del LAFMIA ya han diseñado una línea de drones con forma de pájaro —ornitópteros—, capaces de aletear como las aves para hacer más segura la navegación y evitar accidentes asociados con los rotores y aspas: golpes, daños en cableado, etc. También han incorporado a algunos vehículos sistemas de visión artificial con cámaras estereoscópicas que imitan la función del ojo humano. Con ellos buscan superar las limitaciones de los drones basados en sistemas GPS, que no operan dentro de los edificios y ofrecen una resolución máxima de tres metros, lo cual restringe su uso en áreas muy pobladas. Estos drones de nueva generación servirían para inspeccionar instalaciones eléctricas, petroleras o centrales nucleares. Salazar reconoce que hay empresas, sobre todo extranjeras, que proveen estos servicios, pero sus equipos son caros, y su grupo puede aportar soluciones eficaces más baratas. “Es muy difícil interactuar en el mercado de venta de drones. Entonces queremos impactar en sus aplicaciones. Es ahí donde nuestras tesis de maestría y doctorado están incidiendo”.

Para terminar este articulo concluimos que a raíz de la invención de los drones o cuadridopteros se ha descubierto la ubicación y la vista de algunos lugares a los que el ojo humano no ha podido llegar debido a la gran altura que estos aparatos por su forma de elevarse llegan a ser útiles. Por eso mismo grandes escuelas, institutos y centros de investigación han ocupado estos inventos para poder aprovechar la tecnología hacia un buen propósito, sin embargo, el uso indebido de este artefacto puede ocasionar problemas de privacidad por su nula restricción hacia algunos lugares, por eso se han creado organizaciones para su correcto uso y además para apoyo a la ciencia y tecnología.

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