Los drones, primeros pasos de los robots voladores

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 83)

Ignacio Fernández Marcos, Físico Automática Industrial, Ingeniero Técnico Industrial Mecánico, Máster Gestión Pymes, Experto en MEF de Estructuras, Especialista en Geotecnia y Cimentación MEF, Máster en Hormigón Armado de Edificios, Máster en Cosmología Física, Certificado de Cualificación de Prospección y Especificación, Calificación Técnica y Soporte a Planta de Sistemas Móviles, de Acceso Radioeléctrico, Complementarios y Antenas.

1. ¿Qué son los drones?

Los RPAS (Remotely Piloted Aircraft System) son aeronaves no tripuladas que deben ser usadas con formación específica, en zonas permitidas y seguras. En ingles drone significa abeja macho así como zumbido. El uso indebido es un riesgo para otras aeronaves, personas y bienes. ¿Para qué son útiles los drones? Entre otras cosas, para captar imágenes y poder observar las discrepancias topográficas y su comparación en zonas no fácilmente accesibles con los planos de proyecto.

Los drones pueden operar sin intervención humana (no se trata de aeromodelismo en que se necesita el control humano mediante un cable o por radio).

2. Historia:

Aeromodelismo. Juguetes. Desarrollos Los drones tuvieron una fase alrededor de los primeros años 2000 en la que se vendían juguetes drones. Recuerdo que a mi hijo le compré uno de ellos en Nueva York que podía ascender en torno a 10 m de altura. Sin embargo. Los drones no son juguetes. Sus inicios se remontan al último año de la primera guerra mundial 1918 en el que se prueba el vuelo sin piloto de una aeronave sin mucho éxito, el Kettering Bug, torpedo o chinche. Posteriormente en los años 40 los drones se utilizan como blancos móviles para el entrenamiento de los aviones de combate en los Estados Unidos. Más tarde la utilización por von Braun de las V1 en los últimos años de la segunda guerra mundial y de aviones Sabre F86 no tripulados durante la guerra de Corea. Se retoma el vuelo de drones en las décadas que van de los 70 a los 90. Hubo trabajos llevados a cabo por una empresa canadiense, también de la empresa española AISA (Aeronaútica Industrial) en un proyecto norteamericano. Reino Unido e Israel colaboraron por aquellos años con Estados Unidos.

En esa época, CESELSA adquiere AISA y colabora en un desarrollo con Estados Unidos, Viper de El uso civil se impulsa en España en 2010. Es AESA, Agencia Estatal de Seguridad Aérea quién lleva la regulación de los drones de hasta 150 kg.

Por encima de este peso es la agencia europea de seguridad de la aviación EASA, European Union Aviation Safety Agency la que ejerce esa regulación.

UAV son las siglas de Unmanned Aerial Vehicle y se utilizan para referirse a drones militares principalmente.

3. Reglamentación. Normativa española, europea. Entidades.

Normativa sobre drones en España 2019. Real Decreto 1036/2017 sobre la seguridad aeronaútica. por el que se regula la utilización civil de las aeronaves pilotadas por control remoto, y se modifica el Real Decreto 552/2014. En resumen, define tres tipos de operaciones:

• Operación comercial, con remuneración.
• Operación comercial.
• Operación aérea especializada para la realización de un trabajo de los comentados en este artículo.

No se deben realizar vuelos a menos de 8 km de aeropuertos, aeródromos y espacios controlados. La altura máxima debe ser de 120 m. El vuelo debe ser diurno y visible por parte del piloto. En los drones de menos de 2 kg de uso recreativo, la altura máxima de vuelos será de 50 m. Están prohibidos los vuelos de drones utilizados en eventos deportivos y de ocio sobre aglomeraciones urbanas, salvo que se trate de drones de menos de 250 g volando a una altura máxima de 20 m siempre fuera de zonas prohibidas y restringidas. Cada dron llevará una placa ignífuga. Los drones de más de 25 kg deben matricularse. Para pilotar profesionalmente un dron es necesario ser mayor de edad y disponer de un certificado médico específico. No es obligatorio el seguro de responsabilidad civil aunque es aconsejable. Se ha de proteger el derecho a la intimidad según la Ley de Protección de Datos.

Real Decreto 552/2014 por el que se desarrolla el Reglamento del Aire y disposiciones operativas comunes para los servicios y procedimientos de navegación aérea sobre la seguridad aeronaútica. Este Real Decreto limitaba el vuelo de drones a los profesionales y no permitía el vuelo por motivos lúdicos.

Real Decreto 57/2002, por el que se aprueba el Reglamento de circulación aérea.

Normativa europea: Commision Delegated Regulation (EU) 2019/945: De los requisitos que deben cumplir los RPAS y los diseñadores, fabricantes, importadores y distribuidores en bien de la seguridad y de la eficiencia de los drones.

Commission Implementary Regulation (EU) 2019/947: Aplicable a los pilotos y operadores de drones en cuanto a normas de uso de drones.

Commission Implementary Regulation (EU) 2019/947: Sobre la repercusión del Covid19.

Entidades: Además de las Agencias ya citadas, citamos algunas de ellas:

• ENAIRE: Es el proveedor de recursos de navegación aérea e información en España. Proporciona una red de instalaciones para suministrar servicio de comunicaciones, navegación y vigilancia.
• FERRONATS: Primer operador comercial de tráfico aéreo en España. Lleva la gestión de las torres de control.
• JARUS (Joint Authoritie for Systems): Proporciona recomendaciones de seguridad por tratarse de un grupo de expertos. Está integrado por autoridades nacionales de aviación y organizaciones de seguridad.
• DOMUS: Es un consorcio de empresas que vela por la seguridad del vuelo de los drones y las aeronaves. Domus está constituido por: ENAIRE, Alg. Isdefe, Ineco, Correos, CRIDA, INDRA, GMV Aerospace & Defence, Everis Aeroespacial y Defensa, Earth Networks, FADA-CATEC, FuVeX, Pildo Labs, SOTICOL Robotics Systems, Vodafone España y la alemana Airman.

Para operativas más complejas que no se van a desarrollar aquí: Metodología SORA (Specific Operation Risk Aero) y el proyecto SESAR donde está implicado DOMUS.

4. Estado del arte

En la ETSIAE se diseñan drones que posteriormente vuelan. A continuación indicamos las principales comprobaciones y características del vuelo de los drones:

Comprobación del vuelo. Comprobación de los controles. Máxima aceleración. Vuelo en trayectoria recta. Viraje en altura. Elevación en trayectos rectos. Restricciones. Despegue. Aterrizaje.

Cálculos sencillos de los drones:

Siendo F la superficie del rotor en m2; DV diámetro del rotor; G peso en kg del rotor; R = G/F la carga por superficie en Kg/m2 y C la densidad de superficie en %, C = z f1 100/F siendo z el nº de palas del rotor, f1 la superficie de una pala en m2. B es la carga de una pala, B = C/z f1 en Kg/m2.

V es la velocidad de paso en m/s, V = 2 pi n/60 donde n es la velocidad angular en rpm y r la distancia al eje del rotor.

P es la fuerza centrífuga en Kp, P = G vs2/9,8 rs donde r es la distancia al cdg en m y v es la velocidad de paso del rotor en m/s; L es el grado de potencia, L = N/G en CV/kg.

Los países que lideran este sector son entre otros: EE. UU., China, Francia, Alemania. España también ocupa un importante lugar en estos desarrollos.

Los drones, RPAS son aparatos reutilizables mientras que existen unos artefactos móviles que no lo son como sondas, misiles balísticos, etc.

5. Alimentación eléctrica y de otros tipos de los drones

La alimentación puede ser por hidrógeno, pila de combustible de hidrógeno y oxígeno, batería de ión litio, motor de explosión y motor a reacción.

6. Tipos de drones: Helicópteros, drones

Por la movilidad del ala se distinguen: Drones de ala fija, son drones de gran autonomía; no pueden realizar vuelos estacionarios; realizan aterrizajes de forma autónoma. De ala rotatoria que son multirrotores y los más comunes; la sustentación se debe a los rotores o hélices; aterrizan verticalmente; la autonomía es de 20 min en vuelo por el tipo de baterías; son tricópteros si tienen tres rotores, cuadricópteros de cuatro hexacópteros de seis y optocópteros de ocho. Otra clasificación se debe al tipo de cámaras que lleven (termograficas, etc.)

Las formas más comunes de los drones son en resumen: de avión, de helicóptero y de cuatro hélices. El vuelo de un dron puede ser por ubicación remota o programado.

7. Piloto de drones

Antes de nada debemos decir que se trata de una profesión con futuro. El curso completo puede costar entre 600 y 1.500 euros en España. Como dato comparativo, un helicóptero cuesta unos 6.500 euros/hora para el salvamento de una persona. Es un trabajo de logros rápidos y más seguro que otros al no tener que visitar in situ la instalación o emplazamiento.

l organismo que homologa el manejo de drones es la Agencia Estatal de Seguridad Aérea, AESA. No es necesaria licencia alguna para volar drones de juguete. La edad mínima para el manejo de drones es de 18 años. Para poder volar se requiere de un certificado de piloto profesional.

En las “autoescuelas” especializadas autorizadas se imparten las siguientes disciplinas:

Nociones de Aeronáutica, de Meteorología, clases de vuelo, espacios aéreos, tipos de aeronaves. En resumen, lo que necesita aprender un piloto de drones. Se obtiene un carné para cada dron.

AESA es la operadora que regula y homologa el vuelo de drones por los pilotos. Es necesario señalar que antes de volar en situaciones que estén fuera del alcance visual y en zonas de espacio controlado, así como con drones de más de 25 kg, es necesario solicitar permiso a la autoridad aeronáutica citada:

Presentando el certificado de piloto. Indicando el tipo de dron, señalando los datos del vuelo. Decir la razón del vuelo. Lugar en el que se realizará el vuelo. Es necesario disponer de un seguro como ya se indicó anteriormente. Asimismo hay que indicar las medidas de contingencia por si fuera necesario.

8. Frecuencia utilizada en el control de los drones. Modulación.

• Los drones trabajan con frecuencias WiFi (2,46 GHz – 5,8 GHz).
• En Aeronaútica se utiliza VHF (30 – 300 MHz).
• En Aeromodelismo (27 – 72 MHz).
• En la tecnología de los drones se utiliza la modulación PWM (Pulse Widht Modulation). A una tensión de 5 V se basa en la modulación por ancho de pulso. Y se utiliza para regular la velocidad de los rotores en corriente continua.

9. Otros países

Los drones en Francia: La altura máxima es de 150 m. Se necesita un seguro de responsabilidad civil.La distancia a los aeródromos es de 20 km. No se permiten los vuelos de noche ni en aglomeraciones ni en zonas restringidas.

En Marruecos están prohibidos los vuelos con drones.

Google distingue cuatro zonas para el vuelo de drones:

• Verde – De acuerdo con las leyes de cada país.
• Rojo – Se debe proporcionar a las autoridades de estos países información del dron, peso, etc.
• Gris – Países en los que no hay información.
• Amarillo – Países en los que se necesita un registro y es necesario realizar un examen para poder volar el dron.

10. Utilización de los drones

Control de obras de difícil acceso como presas. Según Detea, los drones ahorran hasta un 25 % los trabajos de inspección de esas obras en las que el acceso es complicado para las personas. Otra aplicación es la realización de inspecciones y estudios gravimétricos. Una aplicación es la vigilancia de áreas determinadas. Utilización en eventos lúdicos, deportivos, etc. Para control de incendios, inspección de líneas eléctricas de alta tensión (mejoran la seguridad de los vuelos en helicóptero de antes). Control de presas en servicio. Se utilizan asimismo en protección civil, cartografía, entrega de paquetes en lugares de difícil acceso, espectáculos culturales y deportivos, cine, tv, publicidad, para procesado de imágenes, usos militares, fotogrametría del terreno, control de fauna y flora, etc.

11. Interferencia física con otras aeronaves e interferencias de radio sobre los sistemas de comunicación y navegación de aeronaves y aeropuertos

Los drones en el caso de intrusión suponen un peligro en los aeropuertos. Los drones son detectados por los radares de las torres de control de los aeródromos. En las aeronaves que transportan personas, bienes o su uso es militar producen destrozos en las alas cargadas de combustible o sobre el fuselaje de aquellas. Se pueden provocar errores en los radares de tierra dado que los drones generarían ecos. Asimismo generando errores en los radares secundarios de seguridad: Generando interferencias en las señales (la clave 7600 de aeronáutica, es decir, comunicación perdida). También errores provocados por los drones sobre las aeronaves en Radiogoniometría: Los drones actúan como obstáculos para las señales de radio que salen o llegan a las aeronaves. Por otro lado dando errores en Radionavegación ADF (Automatic Direction Finder) de ayuda en la navegación: Los drones pueden interferir en las señales que llegan al receptor además de la que procede del radiofaro.

Sin olvidar errores en Radionavegación VOR/DME:

Este sistema lo constituye un radiofaro omnidireccional VOR (Very High Frequency Omnidirectional Range y un medidor de distancia DME Distance Measuring Equipment). Estos errores son de situación provocados por la posición de los drones.

12. Zonas restringidas, prohibidas

• Las zonas restringidas lo son para la toma de fotografías por las cámaras que pueden llevar los drones. Se trata de zonas definidas por el Ministerio de Defensa RvF (Restringidas al vuelo fotográfico).
• Las zonas prohibidas lo son para el vuelo de drones. Se utilizan unos mapas donde se delimitan estas zonas.
• Las zonas peligosas, son así para todo tipo de aeronaves.
• A tener en cuenta además, otro tipo de zonas como las manejables, las temporalmente reservadas y segregadas. Estas zonas las primeras, gestionadas por la autoridad militar; o las otras, bajo la autoridad aeronaútica.

13. Sistemas de defensa antidrones

En primer lugar estos sistemas avisan al piloto del dron que se encuentra en una zona restringida al haber sido detectado por el radar. Posteriormente se utilizan los siguientes sistemas destructivos: Bazookas antidrones; empleo de halcones entrenados para cazar drones; uso de láseres antidrones. En general se trata de sistemas de detección y llegado el caso, el abatimiento de los drones.

Proyecto RAPAZ: Este proyecto se desarrolla para la detección, inhibición y destrucción de RPAS intrusos y así poteger instalaciones como es el caso de los aeropuertos.

Otros sistemas de defensa se basan en las bandas de UHF (3 GHz)/VHF para impedir la interferencia en los sistemas de control de aeropuertos y aeronaves.

Anti – UAV Defence: Este desarrollo trabaja emitiendo una señal de radio en la misma frecuencia que la que controla el dron para anular el control del piloto sobre el dron.

14. Algoritmos utilizados en los drones

Se utilizan por ejemplo, en los vuelos en formación de los drones. Cada vez es mayor la relación entre los drones y los algoritmos a utilizar en cada situación de vuelo de los drones, como sucede en otros campos de conocimiento.

15. Futuro de los drones

Actualmente con datos del año 2018 había unos 1.000 modelos de drones de uso civil profesionales (no consideramos los drones de juguete). Los drones de uso militar son desconocidos por razones de seguridad. La industria de los drones crece y crece. En 2020 se estima la cantidad de RPAS en 67 millones, diez veces más que en 2015.

16. Inspección técnica de drones

Van surgiendo empresas que se dedican a la reparación, conservación, mantenimiento e inspección técnica de los drones para garantizar que los vuelos de aquellos sean lo más seguros y fiables posible.

17. Bibliografía

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• Helicópteros de Radiocontrol, Dieter Schlüter, Libros cúpula, Grupo Editorial Ceac, S. A., Barcelona 1994.
• De las Cometas a los Drones, Carlos Herraz Rodríguez, Fusión Editorial, 1ª Edición 2018.
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• Revista Obras Urbanas de RPAS.
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• Internet: Drone by drone.
• Internet: Structuralia.
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• Internet: Muy interesante.
• Internet: www.placasidentificativaspara drones.es/
• Internet: DJI Store Madrid.
• Internet: www.proteccioncivil.es/
• Internet: Grupo One Air