Vehículo aéreo no tripulado

Elbit Systems Hermes-450 despegando

Northrop Grumman Bat transportando sensores EO/IR y SAR, buscadores de rango láser, diseñadores láser, cámaras infrarrojas

Un quadcopter DJI Phantom UAV para fotografía aérea comercial y recreativa

A General Atomics MQ-9 Reaper, a hunter-killer surveillance UAV

Aunque la mayoría de los vehículos militares estadounidenses son aviones, los diseños de rotorcraft (por ejemplo, RUAV) como este MQ-8B Fire Los exploradores también se usan.

Prototipo de Sukhoi S-70 Okhotnik-B, un UCAV pesado

Un vehículo aéreo no tripulado (UAV), comúnmente conocido como dron, es una aeronave sin piloto humano, tripulación o pasajeros a bordo. Los UAV se desarrollaron originalmente durante el siglo XX para misiones militares demasiado "aburridas, sucias o peligrosas" para los humanos, y para el veintiuno, se habían convertido en activos esenciales para la mayoría de las fuerzas armadas. A medida que las tecnologías de control mejoraron y los costos cayeron, su uso se expandió a muchas aplicaciones no militares. Estos incluyen fotografía aérea, agricultura de precisión, monitoreo de incendios forestales, monitoreo de ríos, monitoreo ambiental, control y vigilancia, inspecciones de infraestructura, contrabando, entregas de productos, entretenimiento y carreras de drones.

Terminología

Muchos términos se utilizan para aeronaves que vuelan sin personas a bordo.

El término dron se ha utilizado desde los primeros días de la aviación, aplicándose a aeronaves objetivo voladas de forma remota que se utilizan para practicar el disparo de los cañones de un acorazado, como el Fairey Queen de la década de 1920. y 1930 de Havilland Queen Bee. Los ejemplos posteriores incluyeron Airspeed Queen Wasp y Miles Queen Martinet, antes de ser reemplazados por GAF Jindivik. El término sigue siendo de uso común. Además del software, los drones autónomos también emplean una gran cantidad de tecnologías avanzadas que les permiten llevar a cabo sus misiones sin intervención humana, como computación en la nube, visión artificial, inteligencia artificial, aprendizaje automático, aprendizaje profundo y sensores térmicos. Para usos recreativos, un dron de fotografía aérea (a diferencia de un UAV) es un avión que tiene video en primera persona, capacidades autónomas o ambos.

Un vehículo aéreo no tripulado (UAV) se define como un "vehículo aéreo propulsado que no lleva un operador humano, utiliza fuerzas aerodinámicas para proporcionar elevación al vehículo, puede volar de forma autónoma o ser pilotado de forma remota, puede ser prescindible o recuperable, y puede llevar una carga útil letal o no letal". UAV es un término que se aplica comúnmente a los casos de uso militar. Sin embargo, los misiles con ojivas no se consideran vehículos aéreos no tripulados porque el vehículo en sí es una munición. Además, la relación de los UAV con los modelos de aviones controlados a distancia no está clara, los UAV pueden o no incluir modelos de aviones controlados a distancia. Algunas jurisdicciones basan su definición en el tamaño o el peso; sin embargo, la FAA de EE. UU. define cualquier aeronave voladora sin tripulación como UAV, independientemente de su tamaño. Los UAV también pueden verse como un componente de un sistema de aeronaves no tripuladas (UAS), que incluye agregar un controlador basado en tierra y un sistema de comunicaciones con el UAV.

El término sistema de aeronave no tripulada (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 según a su hoja de ruta del sistema de aeronaves no tripuladas 2005-2030. La Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) y la Autoridad de Aviación Civil Británica adoptaron este término, que también se utiliza en la Investigación de Gestión del Tráfico Aéreo (ATM) del Cielo Único Europeo (SES) de la Unión Europea (Empresa Conjunta SESAR) hoja de ruta para 2020. Este término enfatiza la importancia de otros elementos además de 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 vehículo aéreo no tripulado (UAVS), vehículo aéreo pilotado a distancia (RPAV), sistema de aeronave pilotada a distancia (RPAS). Muchos términos similares están en uso. "Desocupado" y "deshabitado" se utilizan ocasionalmente como alternativas a los "no tripulados". Según las nuevas regulaciones que entraron en vigor el 1 de junio de 2019, el gobierno canadiense adoptó el término RPAS (Sistema de aeronaves pilotadas a distancia) para referirse a "un conjunto de elementos configurables que consisten en un avión pilotado a distancia aeronave, su estación de control, los enlaces de mando y control y cualquier otro elemento del sistema requerido durante la operación de vuelo.

Tipos de clasificación

Los UAV pueden clasificarse como cualquier otra aeronave, según la configuración de diseño, como peso o tipo de motor, altitud máxima de vuelo, grado de autonomía operativa, función operativa, etc. Según el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, los UAV se clasifican en cinco categorías a continuación:

Otras clasificaciones de vehículos aéreos no tripulados incluyen:

Alcance y resistencia

Por lo general, existen cinco categorías cuando los UAV se clasifican por alcance y resistencia:

Tamaño

Por lo general, hay cuatro categorías cuando los UAV se clasifican por tamaño, con al menos una de las dimensiones (longitud o envergadura) que cumple con los siguientes límites respectivos:

Peso

Según su peso, los drones se pueden clasificar en cinco categorías:

.

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. Algunos UAV ofrecen grados intermedios de autonomía. Por ejemplo, un vehículo puede ser pilotado de forma remota en la mayoría de los contextos pero tener una operación autónoma de regreso a la base. Algunos tipos de aeronaves pueden volar opcionalmente tripulados o como UAV, que pueden incluir aeronaves tripuladas transformadas en UAV no tripulados u opcionalmente pilotados (OPV). El vuelo de los UAVs 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 a aeronaves completamente autónomas que no tienen provisión para la intervención humana.

Altitud

Según la altitud, las siguientes clasificaciones de UAV se han utilizado en eventos de la industria como el foro de sistemas no tripulados ParcAberporth:

• Altura de 2.000 pies (600 m) de mano, cerca de 2 km
• Cerca de 5.000 pies (1.500 m) de altitud, hasta 10 km de rango
• OTAN tipo 10.000 pies (3.000 m) de altitud, hasta 50 km
• Altura táctica de 18.000 pies (5.500 m), cerca de 160 km
• MALE (altura media, larga resistencia) hasta 30.000 pies (9.000 m) y alcance más de 200 km
• HALE (alta altitud, larga resistencia) más de 30.000 pies (9.100 m) y rango indefinido
• Hipersónico de alta velocidad, supersónico (Mach 1–5) o hipersónico (Mach 5+) 50.000 pies (15.200 m) o altitud suborbital, rango de más de 200 km
• Órbita terrestre baja (Mach 25+)
• CIS Lunar Earth-Moon transfer
• Sistema de guía de transportista asistido por computadora (CACGS) para UAVs

Criterios compuestos

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

Historia

Winston Churchill y otros esperando ver el lanzamiento de un dron blanco de Havilland Queen Bee, el 6 de junio de 1941

Un Ryan Firebee, uno de una serie de drones blancos / vehículos aéreos no utilizados que volaron por primera vez en 1951. Israeli Air Force Museum, Hatzerim airbase, Israel, 2006

Últimas preparaciones antes de la primera misión táctica UAV en todo el canal Suez (1969). Posición: Mayor Shabtai Brill del cuerpo de inteligencia israelí, el innovador del UAV táctico.

El israelí Tadiran Mastiff, que voló por primera vez en 1975, es visto por muchos como el primer campo de batalla moderno UAV, debido a su sistema de enlace de datos, la colocación de resistencia y la transmisión en vivo de vídeo.

Primeros drones

El primer uso registrado de un vehículo aéreo no tripulado para la guerra ocurrió en julio de 1849, con un portaglobos (el precursor del portaaviones) en el primer uso ofensivo del poder aéreo en la aviación naval. Las fuerzas austriacas que asediaban Venecia intentaron lanzar unos 200 globos incendiarios contra la ciudad sitiada. Los globos se lanzaron principalmente desde tierra; sin embargo, algunos también se lanzaron desde el barco austriaco SMS Vulcano. Al menos una bomba cayó en la ciudad; sin embargo, debido al cambio de viento después del lanzamiento, la mayoría de los globos no alcanzaron su objetivo y algunos regresaron a la deriva sobre las líneas austriacas y el barco de lanzamiento Vulcano.

El ingeniero español Leonardo Torres y Quevedo introdujo un sistema de control basado en radio llamado "Telekino" en la Academia de Ciencias de París en 1903 con la intención de probar un dirigible de su propio diseño sin arriesgar vidas humanas.

El desarrollo significativo de los drones comenzó en la década de 1900 y originalmente se centró en proporcionar objetivos de práctica para el entrenamiento del personal militar. El primer intento de un UAV motorizado fue el 'Aerial Target' de A. M. Low. en 1916. 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. Después de esta demostración exitosa en la primavera de 1917, Low fue transferido para desarrollar DCB de lanzamiento de motor rápido controlados por aeronaves con la Royal Navy en 1918 con la intención de atacar instalaciones portuarias y de envío y también ayudó al Wing Commander Brock en los preparativos para Zeebrugge Raid. Siguieron otros desarrollos no tripulados británicos, lo que llevó a la flota de más de 400 objetivos aéreos Queen Bee de Havilland 82 que entraron en servicio en 1935.

Nikola Tesla describió una flota de vehículos aéreos de combate sin tripulación en 1915. Estos desarrollos también inspiraron la construcción del Kettering Bug por Charles Kettering de Dayton, Ohio y el Hewitt-Sperry Automatic Airplane, inicialmente pensado como un avión sin tripulación que transportaría una carga útil explosiva a un objetivo predeterminado. El desarrollo continuó durante la Primera Guerra Mundial, cuando Dayton-Wright Airplane Company inventó un torpedo aéreo sin piloto que explotaría en un momento preestablecido.

La estrella de cine y entusiasta de los modelos de aviones Reginald Denny desarrolló el primer vehículo a escala con piloto remoto en 1935.

Investigadores soviéticos experimentaron con el control remoto de bombarderos Tupolev TB-1 a fines de la década de 1930.

Segunda Guerra Mundial

En 1940, Denny fundó Radioplane Company y surgieron más modelos durante la Segunda Guerra Mundial, utilizados tanto para entrenar artilleros antiaéreos como para volar en misiones de ataque. 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.

Período de posguerra

Después de la Segunda Guerra Mundial, el desarrollo continuó en vehículos como el estadounidense JB-4 (usando la guía de comando de radio/televisión), el australiano GAF Jindivik y Teledyne Ryan Firebee I de 1951, mientras que compañías como Beechcraft ofrecieron su Modelo 1001 para el Marina de los EE. UU. en 1955. Sin embargo, eran poco más que aviones a control remoto hasta la Guerra de Vietnam. En 1959, la Fuerza Aérea de los EE. UU., preocupada por perder pilotos en territorio hostil, comenzó a planificar el uso de aviones no tripulados. La planificación se intensificó después de que la Unión Soviética derribara un U-2 en 1960. En cuestión de días, comenzó un programa UAV altamente clasificado con el nombre en clave de 'Red Wagon'. El choque de agosto de 1964 en el Golfo de Tonkin entre unidades navales de los EE. UU. y la Marina de Vietnam del Norte inició los vehículos aéreos no tripulados altamente clasificados de Estados Unidos (Ryan Model 147, Ryan AQM-91 Firefly, Lockheed D-21) en sus primeras misiones de combate de la guerra de vietnam Cuando el gobierno chino mostró fotografías de UAV estadounidenses derribados a través de Wide World Photos, la respuesta oficial de EE. UU. fue "sin comentarios".

Durante la Guerra de Desgaste (1967–1970) en el Medio Oriente, la inteligencia israelí probó los primeros vehículos aéreos no tripulados tácticos instalados con cámaras de reconocimiento, que devolvieron con éxito fotos del otro lado del Canal de Suez. Esta fue la primera vez que se desarrollaron y probaron en batalla UAV tácticos que podían lanzarse y aterrizar en cualquier pista corta (a diferencia de los UAV más pesados basados en aviones a reacción).

En la guerra de Yom Kippur de 1973, Israel usó vehículos aéreos no tripulados como señuelos para incitar a las fuerzas opuestas a desperdiciar costosos misiles antiaéreos. Después de la guerra de Yom Kippur de 1973, algunas personas clave del equipo que desarrolló este primer UAV se unieron a una pequeña empresa emergente que tenía como objetivo convertir los UAV en un producto comercial, finalmente comprado por Tadiran y que condujo al desarrollo del primer UAV israelí.

En 1973, el ejército de EE. UU. confirmó oficialmente que habían estado utilizando vehículos aéreos no tripulados en el sudeste asiático (Vietnam). Más de 5.000 aviadores estadounidenses habían muerto y más de 1.000 más estaban desaparecidos o capturados. El Ala de Reconocimiento Estratégico número 100 de la USAF voló alrededor de 3435 misiones de UAV durante la guerra a un costo de alrededor de 554 UAV perdidos por todas las causas. En palabras del general de la USAF George S. Brown, comandante del 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." Más tarde ese año, el general John C. Meyer, comandante en jefe del 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!"

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. Las imágenes y los señuelos de radar proporcionados por estos UAV ayudaron a Israel a neutralizar por completo las defensas aéreas sirias al comienzo de la Guerra del Líbano de 1982, lo que resultó en que ningún piloto fuera derribado. En Israel, en 1987, los vehículos aéreos no tripulados 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-dirección.

VANT modernos

El STM Kargu fue el primer arma autónoma letal para atacar a los combatientes enemigos en la guerra.

Con la maduración y miniaturización de las tecnologías aplicables en las décadas de 1980 y 1990, creció el interés por los vehículos aéreos no tripulados en los escalones más altos de las fuerzas armadas de EE. UU. 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 EE. UU. compró el AAI Pioneer UAV que AAI y Malat desarrollaron conjuntamente. Muchos de estos UAV 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 portaban armamento, como el General Atomics MQ-1 Predator, que lanzó misiles aire-tierra AGM-114 Hellfire.

CAPECON, un proyecto de la Unión Europea para desarrollar vehículos aéreos no tripulados, se llevó a cabo del 1 de mayo de 2002 al 31 de diciembre de 2005.

A partir de 2012, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (USAF) empleó 7494 UAV, casi uno de cada tres aviones de la USAF. La Agencia Central de Inteligencia también operaba vehículos aéreos no tripulados. Para 2013, al menos 50 países usaban UAV. China, Irán, Israel, Pakistán, Turquía y otros diseñaron y construyeron sus propias variedades. El uso de drones ha seguido aumentando. Debido a su amplia proliferación, no existe una lista completa de sistemas UAV.

El desarrollo de tecnologías inteligentes y sistemas de energía eléctrica mejorados llevó a un aumento paralelo en el uso de drones para actividades de aviación general y de consumo. A partir de 2021, los drones cuadricópteros ejemplifican la gran popularidad de las aeronaves y los juguetes controlados por radio para pasatiempos; sin embargo, el uso de los UAV en la aviación comercial y general está limitado por la falta de autonomía y por los nuevos entornos regulatorios que requieren contacto directo 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 sobre Libia del Consejo de Seguridad de la ONU, publicado en marzo de 2021. Esta puede haber sido la primera vez un robot asesino autónomo armado con armamento letal atacó a los seres humanos.

La tecnología superior de drones, específicamente el Bayraktar TB2, desempeñó un papel en los éxitos de Azerbaiyán en la guerra de Nagorno-Karabaj de 2020 contra Armenia.

El concepto del artista Dragonfly aterrizaje en Titan

Los UAV también se utilizan en las misiones de la NASA. La nave espacial Dragonfly se está desarrollando y tiene como objetivo alcanzar y examinar la luna Titán de Saturno. Su objetivo principal es deambular por la superficie, ampliando la cantidad de área de investigación vista anteriormente por Landers. Como UAV, Dragonfly permite el examen de tipos de suelo potencialmente diversos. El dron se lanzará en 2027 y se estima que tardará siete años más en llegar al sistema de Saturno.

La miniaturización también está respaldando el desarrollo de UAV pequeños que se pueden utilizar como sistema individual o en una flota que ofrece la posibilidad de inspeccionar grandes áreas. en un tiempo relativamente pequeño.

Diseño

Estructura física general de un UAV

Las aeronaves con y sin tripulación del mismo tipo generalmente tienen componentes físicos reconociblemente similares. Las principales excepciones son la cabina y el sistema de control ambiental o los sistemas de soporte vital. Algunos UAV transportan cargas útiles (como una cámara) que pesan considerablemente menos que un ser humano adulto y, como resultado, pueden ser considerablemente más pequeñas. Aunque transportan cargas útiles pesadas, los vehículos aéreos no tripulados militares armados son más livianos que sus contrapartes tripuladas 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 probados con menos solidez. Para los UAV pequeños, el diseño de 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 aeronaves tripuladas, 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 no tripuladas, con diferentes conjuntos de funciones.

Configuración de la aeronave

Los UAV se pueden diseñar en configuraciones diferentes a las de los aviones tripulados porque no se necesita una cabina ni sus ventanas, y no hay necesidad de optimizar para la comodidad humana, aunque algunos UAV se adaptan a partir de ejemplos pilotados o se diseñan para modos pilotados opcionalmente. La seguridad aérea también es un requisito menos crítico para los aviones no tripulados, lo que permite al diseñador una mayor libertad para experimentar. En cambio, los UAV generalmente se diseñan en torno a sus cargas útiles a bordo y su equipo terrestre. Estos factores han dado lugar a una gran variedad de configuraciones de fuselajes y motores en los UAV.

Para vuelos convencionales, el ala voladora y el cuerpo de ala combinado ofrecen un peso ligero combinado con baja resistencia y sigilo, y son configuraciones populares para muchos casos de uso. Es más probable que los tipos más grandes que transportan una carga útil variable presenten un fuselaje distintivo con una cola para mayor estabilidad, control y ajuste, aunque las configuraciones de ala en uso varían ampliamente.

Para usos que requieren vuelo vertical o vuelo estacionario, el cuadricóptero sin cola requiere un sistema de control relativamente simple y es común para vehículos aéreos no tripulados más pequeños. Los diseños multirrotor con 6 o más rotores son más comunes con UAV más grandes, donde se prioriza la redundancia.

Propulsión

Los motores a reacción y de combustión interna tradicionales siguen en uso 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 lo tiene un modelo de avión a 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" ostenta este récord.

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

Los drones pequeños utilizan principalmente baterías de polímero de litio (Li-Po), mientras que algunos vehículos más grandes han adoptado una pila de combustible de hidrógeno. La densidad de energía de las baterías Li-Po modernas es mucho menor que 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 de propulsión. Para instalaciones de energía tan complejas, se puede usar un circuito de eliminación de batería (BEC) para centralizar la distribución de energía y minimizar el calentamiento, bajo el control de una unidad de microcontrolador (MCU).

Ornitópteros: propulsión de alas

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

Los microUAV Sub-1g inspirados en las moscas, aunque usan una correa eléctrica, han podido 'aterrizar' en superficies verticales. Otros proyectos imitan el vuelo de escarabajos y otros insectos.

Sistemas de control informático

Un controlador de vuelo se ejecuta en el firmware CleanFlight o BaseFlight para UAVs multirotor

La capacidad informática de los UAV siguió los avances de la tecnología informática, comenzando con controles analógicos y evolucionando hacia microcontroladores, luego sistema en un chip (SOC) y 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. El hardware de control de los sistemas UAV comunes suele incorporar un microprocesador principal, un procesador secundario o de seguridad y sensores como acelerómetros, giroscopios, magnetómetros y barómetros en un solo módulo.

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.

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

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 medida 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.

Además de los sensores de navegación, el UAV (o UAS) también puede estar equipado con dispositivos de monitoreo como: cámaras RGB, multiespectrales, hiperespectrales o LiDAR, que pueden permitir proporcionar mediciones u observaciones específicas.

Actuadores

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

Software

El software que se ejecuta en un UAV se denomina piloto automático o pila de vuelo. El propósito de la pila de vuelo es volar la misión de forma autónoma o con entrada de piloto remoto. Un piloto automático logra esto al obtener datos de los sensores, controlar los motores para avanzar a lo largo de una ruta y facilitar las comunicaciones con el control de tierra y la planificación de la misión.

Los UAV son sistemas en tiempo real que requieren alta frecuencia para cambiar los datos de los sensores. Como resultado, los UAV dependen de computadoras de placa única para sus necesidades computacionales. Ejemplos de estas computadoras de placa única incluyen Raspberry Pis, Beagleboards, etc. protegidas con NavIO, PXFMini, etc. o diseñadas desde cero como NuttX, preemptive-RT Linux, Xenomai, Orocos-Robot Operating System o DDS-ROS 2.0.

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. 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 de BaseFlight y de la que se bifurcan otras tres pilas.

Principios de bucle

Típicos bucles de control de vuelo para un multirotor

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

• Ámbito abierto – Este tipo proporciona una señal de control positiva (más rápida, más lenta, izquierda, derecha, arriba, abajo) sin incorporar la retroalimentación de los datos del sensor.
• Loop cerrado – Este tipo incorpora la retroalimentación del sensor para ajustar el comportamiento (reducir la velocidad para reflejar el viento de cola, moverse a la altitud 300 pies). El controlador PID es común. A veces, se emplea la alimentación, transfiriendo la necesidad de cerrar el bucle.

Comunicaciones

Los UAV utilizan una radio para el control y el intercambio de video y otros datos. Los primeros UAV solo tenían un enlace ascendente de banda estrecha. Los enlaces descendentes vinieron 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 modernas de UAV, 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 se puede enrutar a través de Internet.

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

• Control de tierra: un humano que opera un transmisor/receptor de radio, un teléfono inteligente, una tableta, un ordenador o el significado original de una estación de control de tierra militar (GCS).
• Sistema remoto de red, como enlaces de datos dúplex por satélite para algunas potencias militares. El vídeo digital de Downstream sobre las redes móviles también ha entrado en los mercados de consumidores, mientras que el control UAV directo se vincula con la malla celular y LTE se han demostrado y están en ensayos.
• Otro avión, que sirve como relé o estación de control móvil – equipo militar tripulado (MUM-T).

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

Autonomía

Grados de autonomía de la UAV

El nivel de autonomía de los UAV varía ampliamente. Los fabricantes de UAV a menudo incorporan operaciones autónomas específicas, como:

• Autonivel: estabilización de actitudes en los ejes de lanzamiento y rodaje.
• Altitude hold: El avión mantiene su altitud utilizando datos de presión barométrica y/o GPS.
• Hover/position hold: Mantenga el campo de nivel y el rodaje, la partida estable y la altitud manteniendo la posición utilizando GNSS o sensores inerciales.
• Modo sin cabeza: Control de Pitch relativo a la posición del piloto en lugar de relativo a los ejes del vehículo.
• Care-free: control automático de rollos y sierras mientras se mueve horizontalmente
• Despegue y aterrizaje (utilizando una variedad de sensores y sistemas de aeronaves o terrestres; véase también "autoland")
• Failsafe: aterrizaje automático o retorno a casa sobre la pérdida de señal de control
• Regresar a casa: Volar al punto de despegue (a menudo ganando altitud primero para evitar posibles obstrucciones entrelazadas como árboles o edificios).
• Follow-me: Mantener una posición relativa a un piloto en movimiento u otro objeto usando GNSS, reconocimiento de imagen o baliza homing.
• Navegación de puntos de GPS: Utilizando GNSS para navegar a una ubicación intermedia en una ruta de viaje.
• Orbit alrededor de un objeto: Similar a Follow-me pero continuamente círculo un objetivo.
• Aerobaticos preprogramados (como rollos y bucles)

Un enfoque para cuantificar las capacidades autónomas se basa en la terminología OODA, como se sugiere en un informe del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE. UU. de 2002, y se usa en la tabla de la derecha.

Un manifestante de aviones de combate no tripulados de Northrop Grumman X-47B de la Armada de Estados Unidos en vuelo desde un avión de tanque.

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

Otras funciones disponibles o en desarrollo incluyen; vuelo colectivo, prevención de colisiones en tiempo real, seguimiento de paredes, centrado de corredores, localización y mapeo simultáneos y enjambre, radio cognitiva y aprendizaje automático. En este contexto, la visión artificial puede desempeñar un papel importante para garantizar automáticamente la seguridad de los vuelos.

Consideraciones de rendimiento

Sobre de vuelo

Los vehículos aéreos no tripulados se pueden programar para realizar maniobras agresivas o aterrizar o posarse en superficies inclinadas y luego ascender hacia mejores puntos de comunicación. Algunos UAV pueden controlar el vuelo con diferentes modelos de vuelo, como los diseños VTOL.

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

Resistencia

Motor UAV-741 Wankel para operaciones UAV

Tiempo de vuelo contra la masa de drones pequeños (menos de 1 kg)

La resistencia de los 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 pueden agarrotarse; el motor no es susceptible de enfriamiento rápido durante el descenso y no requiere una mezcla de combustible enriquecida para enfriarse a alta potencia. Estos atributos reducen el uso de combustible, aumentando el alcance o la carga útil.

La refrigeración adecuada de los drones es esencial para su resistencia a largo plazo. El sobrecalentamiento y la posterior falla del motor es la causa más común de falla del dron.

Las celdas de combustible de hidrógeno, que usan energía de hidrógeno, pueden extender la resistencia de los vehículos aéreos no tripulados pequeños, hasta varias horas.

Hasta ahora, la resistencia de los microvehículos aéreos se logra mejor con los UAV de alas batientes, seguidos por los aviones y los multirotores en último lugar, debido al número de Reynolds más bajo.

Los vehículos aéreos no tripulados de energía solar, un concepto defendido originalmente por el AstroFlight Sunrise en 1974, han logrado tiempos de vuelo de varias semanas.

Los satélites atmosféricos alimentados por energía solar ("atmosats") diseñados para operar a altitudes superiores a 20 km (12 millas o 60 000 pies) durante cinco años podrían realizar tareas de manera más económica y con más versatilidad. que los satélites de órbita terrestre baja. Las aplicaciones probables incluyen drones meteorológicos para monitoreo del clima, recuperación de desastres, imágenes de la Tierra y comunicaciones.

Los vehículos aéreos no tripulados eléctricos alimentados por transmisión de energía de microondas o transmisión de energía láser son otras posibles soluciones de resistencia.

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

Confiabilidad

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

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

La resiliencia del enjambre implica mantener las capacidades operativas y reconfigurar las tareas dadas las fallas de la unidad.

Aplicaciones

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 (BVLOS) mientras maximizan la producción, reducen costos y riesgos, garantizan la seguridad del sitio, la seguridad y el cumplimiento normativo, y protegen a los humanos. mano de obra en tiempos de pandemia. También se pueden usar 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 los UAV. Éstas incluyen:

General

Recreación, socorro en casos de desastre, arqueología, conservación de la biodiversidad y el hábitat, aplicación de la ley, delincuencia y terrorismo.

Comercial

Vigilancia aérea, cine, periodismo, investigación científica, encuesta, transporte de carga, minería, fabricación, silvicultura, agricultura solar, energía térmica, puertos y agricultura.

Guerra

A Baykar Bayraktar TB2 of the Ukrainian Air Force armed with MAM-L; two ground control stations in the background

Hasta 2020, diecisiete países tienen vehículos aéreos no tripulados armados, y más de 100 países utilizan vehículos aéreos no tripulados con capacidad militar. El mercado mundial de vehículos aéreos no tripulados militares está dominado por empresas con sede en los Estados Unidos, Turquía, China, Israel e Irán. Según las cifras de ventas, EE. UU. tenía más del 60 % de participación en el mercado militar en 2017. Los principales fabricantes de vehículos aéreos no tripulados militares incluyen General Atomics, Lockheed Martin, Northrop Grumman, Boeing, Baykar, TAI, IAIO, CASC y CAIG. China ha establecido y ampliado su presencia en el mercado militar de vehículos aéreos no tripulados desde 2010. Turquía también ha establecido y ampliado su presencia en el mercado militar de vehículos aéreos no tripulados.

De los 18 países que se sabe que recibieron drones militares entre 2010 y 2019, los 12 principales compraron sus drones en China. Según un informe de 2015, las empresas israelíes se centran principalmente en pequeños sistemas de vigilancia UAV y, por cantidad de drones, Israel exportó el 60,7 % (2014) de los UAV del mercado, mientras que Estados Unidos exportó el 23,9 % (2014). Entre 2010 y 2014, hubo 439 drones intercambiados en comparación con 322 en los cinco años anteriores, entre estos solo una pequeña fracción del comercio total: solo 11 (2,5%) de los 439 son drones armados. Solo EE. UU. operó más de 9000 vehículos aéreos no tripulados militares en 2014; entre ellos, más de 7000 son UAV en miniatura RQ-11 Raven. General Atomics es el fabricante dominante con la línea de productos de sistemas Global Hawk y Predator/Mariner.

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

Los vehículos aéreos no tripulados se utilizan para reconocimiento, ataque, desminado y prácticas de tiro.

Civil

Aviones de Wing entregando mercancías en Vuosaari, Helsinki

El mercado de drones civiles (comerciales y generales) está dominado por empresas chinas. Solo el fabricante chino de drones DJI tenía el 74 % de la participación del mercado civil en 2018, ninguna otra compañía representaba más del 5 %, y con ventas globales previstas de $11 mil millones en 2020. Tras un mayor escrutinio de sus actividades, el Departamento del Interior de EE. 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 vehículos aéreos no tripulados de fabricación extranjera. DJI es seguido por la compañía china Yuneec, la compañía estadounidense 3D Robotics y la compañía francesa Parrot con una brecha significativa en la participación de mercado. Hasta mayo de 2021, se han registrado 873 576 UAV en la FAA de EE. UU., de los cuales el 42 % se clasifican como drones comerciales y el 58 % como drones recreativos. El NPD de 2018 apunta a que los consumidores compran cada vez más drones con características más avanzadas con un crecimiento del 33 % en los segmentos de mercado de $500+ y $1000+.

El mercado civil de UAV es relativamente nuevo en comparación con el militar. Las empresas están surgiendo tanto en países desarrollados como en vías de desarrollo al mismo tiempo. Muchas nuevas empresas en etapa inicial han recibido apoyo y financiación de inversores, como es el caso de los Estados Unidos, y de agencias gubernamentales, como es el caso de la India. Algunas universidades ofrecen programas o títulos de investigación y capacitación. Las entidades privadas también brindan programas de capacitación en línea y en persona para el uso recreativo y comercial de UAV.

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 utilizar las series DJI Mavic y Matrice de UAV 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. La policía china también ha utilizado drones de vigilancia DJI en Xinjiang desde 2017.

El mercado mundial de vehículos aéreos no tripulados alcanzará los 21 470 millones de dólares estadounidenses, y el mercado indio alcanzará los 885,7 millones de dólares estadounidenses para 2021.

Los drones iluminados comienzan a usarse en exhibiciones nocturnas con fines artísticos y publicitarios.

Fotografía aérea

Los drones son ideales para capturar tomas aéreas en fotografía y cinematografía, y se usan ampliamente para este propósito. Los drones pequeños evitan la necesidad de una coordinación precisa entre el piloto y el camarógrafo, con la misma persona asumiendo ambos roles. Sin embargo, en los drones grandes con cámaras de cine profesionales, generalmente hay 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 grandes éxitos de taquilla es operado por 2 personas. Los drones brindan acceso a sitios peligrosos, remotos o inaccesibles.

Monitoreo Ambiental

Los UAS o UAV ofrecen la gran ventaja para el monitoreo ambiental de generar una nueva generación de levantamientos a muy alta o ultra alta resolución tanto en el espacio como en el tiempo. Esto brinda la oportunidad de cerrar la brecha existente entre los datos satelitales y el monitoreo de campo. Esto ha estimulado un gran número de actividades para mejorar la descripción de los ecosistemas naturales y agrícolas. Las aplicaciones más comunes son:

• Encuestas topográficas para la producción de ortomosaica, modelo de superficie digital (DSM), modelos 3D;
• Vigilancia de los ecosistemas naturales para la vigilancia de la diversidad biológica, la cartografía del hábitat y el estudio de la degradación de los ecosistemas debido a especies o perturbaciones invasivas;
• Precision Agricolture, que explota todas las tecnologías disponibles, incluida la UAV, para producir más con menos (por ejemplo, optimización de fertilizantes, pesticidas, riego);
• Vigilancia de los ríos Se han desarrollado varios métodos para realizar monitoreo de flujo utilizando métodos de velocidadcimetría de imagen que permiten describir adecuadamente los campos de velocidad de flujo 2D.

Estas actividades se pueden realizar con diferentes enfoques que incluyen: fotogrametría, SfM, termografía, imágenes multiespectrales, escaneo de campo 3D, mapas NDVI, etc.

Estudios agrícolas, forestales y ambientales

A medida que la demanda global 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 los drones agrícolas y Se espera que la industria de la robótica progrese. Los drones agrícolas se han utilizado para ayudar a construir una agricultura sostenible en todo el mundo que conduce a una nueva generación de agricultura. En este contexto, hay una proliferación de innovaciones tanto en herramientas como en metodologías que permiten una descripción precisa del estado de la vegetación y también pueden ayudar a distribuir con precisión nutrientes o pesticidas en un campo.

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 petardeos.

Los vehículos aéreos no tripulados ahora también se utilizan ampliamente para estudiar la vida silvestre, como aves marinas que anidan, focas e incluso madrigueras de wombat.

Cumplimiento de la ley

La policía puede usar drones para aplicaciones como búsqueda y rescate y monitoreo de tráfico.

Protección y seguridad

US Department of Agriculture poster warning about the risks of fly UAVs near wildfires

Amenazas

Molestia

Los vehículos aéreos no tripulados pueden amenazar la seguridad del espacio aéreo de muchas maneras, incluidas colisiones no intencionales 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. El primer caso registrado de colisión de un dron con un globo aerostático 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 el incidente a la Junta Nacional de Seguridad en el Transporte, afirmando que 'Espero que este incidente ayude a crear una conversación de respeto por la naturaleza, el espacio aéreo y normas y reglamentos". Los vuelos no autorizados de vehículos aéreos no tripulados hacia o cerca de los principales aeropuertos han provocado cierres prolongados de vuelos comerciales.

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

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 y North Fire. En respuesta, los legisladores de California presentaron un proyecto de ley que permitiría a los bomberos desactivar los vehículos aéreos no tripulados que invadían el espacio aéreo restringido. Posteriormente, la FAA exigió el registro de la mayoría de los UAV.

Vulnerabilidades de seguridad

Para 2017, se usaban drones para introducir contrabando en las cárceles.

El interés en la seguridad cibernética de los UAV ha aumentado mucho después del incidente de secuestro de transmisión de video Predator UAV en 2009, donde los militantes islámicos usaron equipos baratos y listos para usar para transmitir transmisiones de video 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 los UAV comerciales, en algunos casos incluso proporcionando el código fuente completo o herramientas para reproducir sus ataques. En un taller sobre vehículos aéreos no tripulados y privacidad en octubre de 2016, investigadores de la Comisión Federal de Comercio demostraron que podían piratear tres cuadricópteros de consumo diferentes y señalaron 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 encriptación de Wi-Fi. señal y agregando protección con contraseña.

Agresión

Los vehículos aéreos no tripulados podrían cargarse con cargas útiles peligrosas y estrellarse contra objetivos vulnerables. Las cargas útiles pueden incluir explosivos, peligros químicos, radiológicos o biológicos. Los vehículos aéreos no tripulados con cargas útiles generalmente no letales podrían ser pirateados y destinados a 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 a A&T "Hay un gran debate en este momento sobre cuál es la mejor manera de contrarrestar estos pequeños UAV, ya sea que los utilicen aficionados que causen un poco de molestia o de una manera más siniestra por parte de un actor terrorista".

Contramedidas

Contador de sistema aéreo no tripulado

Soldados del Ejército italiano del 17o Regimiento de Artillería Antiaérea "Sforzesca" con un portable dron jammer en Roma

El uso malicioso de los UAV ha llevado al desarrollo de tecnologías de sistemas aéreos no tripulados (C-UAS). El seguimiento y la detección automáticos de UAV desde cámaras comerciales se han vuelto precisos gracias al desarrollo de algoritmos de aprendizaje automático basados en aprendizaje profundo. También es posible identificar automáticamente los UAV a través de diferentes cámaras con diferentes puntos de vista y especificaciones de hardware con métodos de reidentificación. Se han instalado sistemas comerciales como Aaronia AARTOS en los principales aeropuertos internacionales. Una vez que se detecta un UAV, se puede contrarrestar con fuerza cinética (misiles, proyectiles u otro UAV) o fuerza no cinética (láser, microondas, interferencia de comunicaciones). Los sistemas de misiles antiaéreos como el Iron Dome también se están mejorando con tecnologías C-UAS. También se propone utilizar un enjambre de UAV inteligente para contrarrestar uno o más UAV hostiles.

Regulación

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

El uso de vehículos aéreos no tripulados está cada vez más regulado por las autoridades de aviación civil de cada país. Los regímenes regulatorios pueden diferir significativamente según el tamaño y el uso de los drones. La Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) comenzó a explorar el uso de la tecnología de drones ya en 2005, lo que resultó en un informe de 2011. 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 rápidamente siguieron su ejemplo. En 2021, la FAA publicó una regla que exige que todos los vehículos aéreos no tripulados de uso comercial y todos los vehículos aéreos no tripulados, independientemente de su intención de pesar 250 g o más, participen en la identificación remota, que hace públicas las ubicaciones de los drones, las ubicaciones de los controladores y otra información desde el despegue hasta el apagado; esta regla ha sido impugnada desde entonces en la demanda federal pendiente RaceDayQuads v. FAA.

Controles de exportación

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