Tendencias y mejores prácticas de diseño de drones

Tim Stevens | 23 de junio de 2023

En Estados Unidos, el mercado de drones creció hasta los 11.100 millones de dólares en 2022 y se espera que aumente hasta los 82.900 millones de dólares en 2032, según Fact.MR. A nivel mundial, se prevé que alcance los 279 mil millones de dólares ese año, una tasa de crecimiento anual compuesta del 25 por ciento.

Ese asombroso éxito se debe a la explosión del uso de drones en múltiples frentes. En el ámbito industrial, los drones se utilizan para inspeccionar todo, desde la construcción hasta el ganado, y las aplicaciones de investigación aumentan a medida que aumentan las tecnologías y disminuyen los costos.

Mientras tanto, el uso recreativo de drones por parte del consumidor está siguiendo una trayectoria similar hacia el cielo. Los drones de bolsillo, fáciles de volar, con funciones avanzadas de seguimiento automático y captura de vídeo 4K son cada vez más habituales para los viajeros serios y los aventureros.

Por último, los drones militares siguen ganando en sofisticación y especialización a medida que los campos de batalla globales exigen soluciones más avanzadas. Las aplicaciones militares representan aproximadamente la mitad del mercado estadounidense de drones, según Fact.MR. El uso comercial representa el 34,6 por ciento, mientras que los drones de consumo/civiles cubren el 15,6 por ciento restante del mercado.

A medida que estas variadas aplicaciones de drones maduran, también han crecido y solidificado los patrones y tendencias de diseño. Profundicemos en ese tema.

Primero, una pequeña aclaración de términos. El nombre "vehículo aéreo no tripulado" o UAV es el término formal que muchos han utilizado tradicionalmente y siguen utilizando para esta clase de dispositivo. Sin embargo, como se describe exhaustivamente en un volumen de 2022 de la revista Drone Systems and Applications, ese término presenta algunos problemas.

La inclusión de una palabra de género, "no tripulado", es un golpe en su contra, pero términos alternativos como "sin tripulación" o "desocupado" presentan otras complicaciones e implicaciones indeseables. La revista afirma que el término "dron" no sólo es el más utilizado sino también el más preciso, por lo que ese es el término que utilizaremos aquí en todo momento.

Además, si bien hoy en día se utilizan numerosos drones terrestres y submarinos, la mayor parte del desarrollo en la industria de los drones se relaciona con naves aéreas, por lo que ese será nuestro enfoque principal.

Dentro de los drones aéreos, hay tres categorías principales.

La forma más básica y antigua de dron, que se remonta a los aviones pilotados remotamente en la Primera Guerra Mundial, es el dron de ala fija. Estos drones utilizan una forma similar a la de un avión tradicional, lo que les permite volar a mayores velocidades y mayores alcances.

Sin embargo, los drones de ala fija generalmente carecen de la capacidad de flotar, son más difíciles de volar y requieren mucho espacio para despegar y aterrizar de manera segura.

Cuando la mayoría de la gente piensa en un dron, piensa en un dron moderno con múltiples rotores, a menudo con cuatro motores separados que hacen girar cuatro hélices separadas.

Sin embargo, también existen drones de un solo rotor, que funcionan más como un helicóptero tradicional. Ambos ofrecen despegue y aterrizaje vertical, o capacidad VTOL, lo que significa que muchos pueden lanzarse directamente desde la mano del operador. Además, el software de control de vuelo avanzado de estos drones hace que su pilotaje sea sencillo y también proporciona una plataforma estable para realizar estudios o escaneos precisos.

Pero este tipo de vuelo tiene mayores demandas de energía, lo que exige tiempos de vuelo más cortos y cargas útiles más pequeñas que un dron de ala fija.

Los drones multirrotor pueden apoyar la logística y el transporte.

Drones híbridos

Este tipo de drone ofrece muchos de los beneficios de ambos tipos de diseño de drones. Un dron híbrido ofrece capacidad VTOL para un lanzamiento fácil, pero puede pasar de un vuelo estacionario como un dron multirotor a un vuelo horizontal de ala fija.

"Hay todo tipo de empresas competidoras que han descubierto cómo hacer que un dron de ala fija despegue y aterrice verticalmente, ya sea inclinando el perfil de las hélices hacia arriba o hacia abajo durante el despegue y el aterrizaje y luego inclinándolas hacia adelante para volar", dijo el Dr. , nos dijo Dominique Chabot. Es científico principal de droneMetrics, una empresa de análisis y detección remota, profesor adjunto en la Universidad de Trent y editor en jefe de la revista Drone Systems and Applications.

Estos drones ofrecen muchos de los beneficios de ambos tipos de drones, pero no ofrecen la misma eficiencia o velocidad de un drone de ala fija ni la estabilidad extrema de un multirotor.

La agricultura inteligente es un aspecto cada vez más vital de la agricultura moderna, especialmente en lo que respecta al suministro de alimentos y materias primas. Los drones pueden verificar los niveles de humedad del suelo, monitorear la salud y la producción de las plantas, aplicar fertilizantes y pesticidas e incluso detectar plagas y otros intrusos.

La tendencia aquí es generalmente hacia drones multirrotor, como el DJI AGRAS T40, que puede transportar hasta 50 kg de carga útil para pulverizar o esparcir con precisión, suficiente para cubrir 52,6 acres (21,3 hectáreas) por hora.

Pero no todas las aplicaciones agrícolas requieren tolvas o pulverizadores. El ZenaDrone es una máquina de cuatro rotores diseñada específicamente para los requisitos únicos del monitoreo de granjas de cáñamo. "Debido a que el dron graba videos y captura imágenes de la plantación de cáñamo, los agricultores también pudieron predecir la salud de las plantas y resolver los problemas de las plantas antes de que empeoraran", nos dijo el año pasado el Dr. Shaun Passley, fundador y director ejecutivo de ZenaDrone.

Un dron utilitario rociando pesticidas sobre un campo de maíz.

Si bien la pandemia de COVID dio nueva importancia a la entrega de paquetes y alimentos a nivel mundial, la entrega con drones ya estaba en desarrollo. "En algunas partes del mundo, particularmente en África, esto ya se está haciendo en áreas escasamente pobladas o de difícil acceso", nos dijo el Dr. Jeremy Laliberte. Es profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial y presidente asociado de investigación y operaciones de laboratorio en la Universidad de Carlton. También es director de programa de la Iniciativa de Liderazgo, Innovación y Capacitación en Sistemas de Aeronaves Deshabitadas (UTILI) de NSERC CREATE.

Pero esta tecnología se está extendiendo lentamente. Zipline, una empresa emergente de entrega con drones, recibió la autorización de la FAA para realizar pruebas en los EE. UU., completando 6.000 entregas con drones aquí el año pasado.

La necesidad de transportar grandes cargas útiles a menudo exige aviones de ala fija para aplicaciones de reparto. Sin embargo, algunas empresas, como Prime Air de Amazon, están desarrollando drones híbridos personalizados que ofrecen capacidad VTOL además de tiempos de vuelo extendidos.

El uso de drones en los medios de comunicación se ha disparado en los últimos años, y los drones sirven como plataformas avanzadas y estabilizadas para transportar equipos de vídeo y fotografía. El aumento del periodismo con drones ha permitido actualizaciones en tiempo real desde situaciones difíciles de alcanzar o incluso peligrosas, como zonas de guerra, protestas y desastres naturales.

La tendencia del uso de drones también ha capturado a Hollywood, con cada vez más películas que presentan tomas con drones, incluso desde vista en primera persona, o drones FPV, un tipo de diseño multirrotor altamente maniobrable. Ambulance de 2022 de Michael Bay presentó una secuencia FPV extensa.

El uso militar representa la mitad del mercado mundial de drones, con aplicaciones que van desde el lanzamiento de cargas explosivas de largo alcance hasta la vigilancia personal y cercana del campo de batalla.

Esta amplitud de aplicaciones implica drones de todo tipo, desde drones de ala fija del tamaño de un avión con tripulación completa hasta el Black Hornet, un drone de un solo rotor un poco más grande que su homónimo.

Los drones desempeñan ahora un papel crucial en muchas áreas de la investigación científica gracias en gran parte a la mayor disponibilidad y el coste reducido de los drones comerciales.

Los tipos de drones varían según la aplicación. "Cuando se quieren realizar proyectos de mapeo a mayor escala, a menudo las alas fijas son el camino a seguir simplemente porque tienen una mayor resistencia de vuelo y pueden cubrir más área en menos tiempo", nos dijo Dominique Chabot, que ha estado utilizando drones en investigaciones desde 2007. "Mientras que, cuando quieres hacer esos [proyectos] muy precisos, obviamente los multirotores pueden hacer cosas que los drones de ala fija pueden hacer, como despegar y aterrizar verticalmente, y también pueden flotar o volar muy lentamente si es necesario".

Mientras que los drones más grandes, particularmente para uso militar, tienden a depender de motores de combustión interna para volar, los modelos más pequeños para uso comercial o personal generalmente dependen de la propulsión eléctrica. De ellos, los motores de CC sin escobillas siguen siendo el estándar, gracias a su alta eficiencia y su vida útil prolongada en comparación con los motores con escobillas.

Un ejemplo extremo es el dron Mars Ingenuity, que se basa en ambos tipos de motores de CC. "Por lo tanto, los motores sin escobillas suelen tener una vida útil más larga, un mayor uso y una mayor velocidad", nos dijo Jeff Randall. Randall es ingeniero de desarrollo empresarial aeroespacial en maxon USA.

"Pero", continuó, "si tienes algo como un mecanismo de giro e inclinación que puede girar 30 grados y permanecer allí por un tiempo, luego girar otros 30 grados, eso es algo de uso relativamente bajo; puede haber Motores con escobillas que se utilizan y pueden ahorrar espacio en términos de sistema de control".

Maxon proporcionó seis motores de CC con escobillas DCX10 de 10 mm para Ingenuity, utilizados para controlar el mecanismo de paso de la hélice. Fueron elegidos porque los motores con escobillas requieren menos circuitos para su control, lo que significa menos peso y complejidad. "Menos cables es mejor", dijo Randall, "por lo que en algunos casos los motores con escobillas serán adecuados. Sin embargo, no para los motores de propulsión. Los motores de propulsión siempre serán motores sin escobillas".

El ingenio del helicóptero de Marte.

Sin embargo, la tendencia últimamente es el uso de una mayor variedad de motores, especializados según la necesidad de la aplicación. Esto incluye construcciones a medida que dependen de vientos más largos para proporcionar más torque o menos vientos para proporcionar más velocidad.

Jeremy Laliberte también ha observado un aumento en la calidad general del motor. "Mejor impermeabilización, mejores temperaturas de funcionamiento, noté que ahora más plataformas están avanzando para poder operar bajo la lluvia y proteger mejor los motores y otros componentes electrónicos y cosas así, y más consistencia en términos de calidad, " él dice.

Laliberte dijo que esto es especialmente cierto para los motores más grandes para drones eléctricos más grandes (25 kg y más), gracias al crecimiento en los campos de los vehículos eléctricos y la aviación eléctrica.

Pero, dice Laliberte, los mayores avances aquí se encuentran en realidad en los controladores de motores, y los fabricantes de drones agregan funciones avanzadas como el manejo de componentes defectuosos. "Algunos de los fabricantes de drones tienen la capacidad de operar con tres motores si uno falla por alguna razón", dijo. "Así que tienes el tipo de sistemas automatizados para recuperar el avión, o al menos ponerlo en tierra".

Además, afirma que la creciente disponibilidad de bancos de pruebas de motores eléctricos está permitiendo el desarrollo de controles de motores mucho más precisos.

Si bien las baterías de estado sólido pueden proporcionar aumentos drásticos en la densidad de energía y al mismo tiempo reducir los tiempos de carga, las baterías de iones de zinc pueden cambiar la forma en que se construyen los drones y las celdas de combustible de hidrógeno pueden proporcionar tiempos de vuelo masivos y reabastecimiento de combustible rápido, todas estas tecnologías están a años de distancia. adopción masiva. Por ahora, las baterías de iones de litio siguen siendo la opción preferida.

Las baterías de iones de litio no son nada nuevo, pero los tiempos de vuelo de los drones siguen aumentando gracias a la densidad de energía cada vez mayor de estas células, junto con otras mejoras de eficiencia.

"En términos de un proyecto cartográfico de tamaño modesto, ahora es mucho más fácil realizarlo con un multirrotor en lugar de tener que recurrir a un dron de ala fija", nos dijo Dominique Chabot. "Dicho esto, ahora tienes alas fijas que pueden volar durante dos horas".

Las mayores mejoras aquí, según Jeremy Laliberte, tienen más que ver con una mayor sofisticación y confiabilidad de la batería.

"Lo que hemos notado es una tendencia hacia baterías que están altamente integradas. Son inteligentes, por lo que tienen sus propios sistemas de gestión de carga, realizan su propia autodescarga para su almacenamiento. Algunos de los productos que comercializamos tienen calentadores. incorporados en las baterías para operaciones en climas fríos, y un embalaje mejorado para que sean más resistentes y duraderos", dijo Laliberte. "La mayoría de los principales fabricantes de drones comerciales tienen sistemas integrados bastante buenos para brindarte toda esa información sobre cómo están funcionando las baterías. No es como en los viejos tiempos, hace apenas unos años, donde comprabas tus paquetes en un pasatiempo. guardar y cruzar los dedos."

Laliberte atribuyó muchas de estas mejoras a la creciente demanda de baterías avanzadas en otras industrias: "A medida que las baterías para los automóviles mejoren, nosotros mejoraremos con eso".

A medida que el mercado de drones continúa madurando, Jeremy Laliberte ve una creciente sofisticación en el diseño de drones que, al menos en naves más grandes, necesitarán depender más de materiales de aviación tradicionales, como compuestos de alta gama y aleaciones de calidad aeronáutica.

"Creo que seguiremos viendo que las cosas más pequeñas realmente lideran el camino con algunas de las tecnologías más nuevas", dijo. "Pero creo que los drones más grandes tenderán a gravitar hacia los materiales y la fabricación tradicionales, porque ya existe toda esa experiencia en certificación, conocimientos y mecanismos de aprobación para esos materiales".

Estas aprobaciones, afirma, se aplican en gran medida a drones de más de 25 kg de masa, momento en el que las pruebas y la certificación en la mayoría de las regiones se vuelven más reglamentadas.

Para los drones más pequeños, la impresión 3D es una herramienta cada vez más valiosa. Laliberte dice que las técnicas avanzadas de fabricación aditiva significan que el ciclo de vida de estas piezas ha evolucionado más allá de la fase de creación de prototipos. "Por lo tanto, no sólo maquetas y demostraciones, sino piezas que entrarán en servicio y tendrán un uso prolongado", dice.

En el futuro, la impresión 4D podría permitir no sólo piezas diseñadas a medida que proporcionen una función estática, sino que también puedan transformarse según la demanda. Esto podría permitir una próxima generación de drones híbridos que ofrezcan eficiencias más cercanas a las de ala fija y capacidades más cercanas a las de múltiples rotores.

Sin embargo, cuando se trata de la construcción de cuadros actual, los plásticos moldeados por inyección siguen siendo comunes debido a su bajo peso y costo, mientras que los componentes estructuralmente más importantes continúan dependiendo de la fibra de carbono debido a su alta resistencia, bajo peso y baja expansión térmica.

La obtención de imágenes sigue siendo una de las aplicaciones más populares para el uso de drones, particularmente entre los drones recreativos, industriales y de investigación. Los sensores digitales más nuevos y más grandes capturan mayores cantidades de luz a resoluciones más altas. Esto no sólo permite obtener fotografías de mayor calidad, sino que también proporciona un mayor espacio para la estabilización del software y, al mismo tiempo, produce resultados de alta resolución aceptables.

"El software, como decimos, no pesa nada. Entonces, agregar unas pocas líneas de código no aumenta el peso del avión", dijo Jeremy Laliberte.

Las cámaras multiespectrales ofrecen la capacidad de capturar en varias longitudes de onda, pero una nueva generación de cámaras hiperespectrales permite capturar aún más información desde un solo sensor.

"Así que una cámara común y corriente, simplemente una cámara de consumo, es una cámara de tres bandas. Tiene rojo, verde y azul, una cámara RGB", dijo Dominique Chabot. "Por lo general, una cámara multiespectral tendrá un mínimo de cuatro bandas, normalmente incluir una banda de infrarrojo cercano es un mínimo allí... Y tendrás cámaras multiespectrales de hasta tal vez una docena de bandas. Pero, en algún momento, Hay tantas bandas que empezamos a llamarlas cámara hiperespectral, y las cámaras hiperespectrales, algunas de ellas son cientos de bandas, otras son tal vez tan solo un par de docenas".

Captar más información significa almacenar más datos y eso requiere un nuevo nivel de procesamiento de imágenes. Dominique Chabot llama a esto un "arma de doble filo", ya que los investigadores a menudo recopilan más datos de los que pueden analizar eficazmente. "Y pasar de estos datos sin procesar a información procesable requiere mucho trabajo, siempre ha habido mucho trabajo en el lado del procesamiento y análisis", afirma.

Esta es una gran parte del tipo de trabajo que realiza en droneMetrics, aplicando aprendizaje automático y otras técnicas avanzadas para encontrar tendencias y extraer información significativa de grandes volúmenes de datos. "Lo veo como una especie de extensión de todo el fenómeno de los drones", dijo, "porque tenemos una plataforma cada vez más eficiente para recopilar imágenes, pero necesitamos combinar eso con formas eficientes de analizar las imágenes".

Las mejoras en el aprendizaje automático y otros aspectos de la inteligencia artificial serán clave para mantenerse al día con el volumen cada vez mayor de datos capturados por estos sensores.

Los drones con cámaras de vigilancia visibles a bordo podrían patrullar las calles de la ciudad.

Como una extensión de las imágenes, LIDAR es una aplicación popular para drones de reconocimiento e investigación, particularmente en unidades estables de múltiples rotores, que permite un mapeo 3D de resolución increíblemente alta de los alrededores del drone.

Sin embargo, hay un interés cada vez mayor en las aplicaciones de drones para el radar de apertura sintética, o SAR, que se basa en el movimiento de la propia plataforma para permitir el escaneo de radar de alto detalle del terreno a través de sensores que de otro modo solo proporcionarían datos con poco detalle. Los sistemas SAR, que normalmente se utilizan en satélites, se están desarrollando para uso con drones, como el UAVSAR de la NASA.

Aunque es mucho más barato, implementar SAR en un dron plantea una serie de desafíos. "Los drones, porque son notoriamente inestables en comparación con las plataformas aéreas tradicionales como un satélite, [que] es muy estable, obviamente, simplemente sigue una órbita alrededor de la Tierra. No hay que preocuparse por las turbulencias y vibraciones", Dominique Chabot dicho.

Proporcionar esa estabilidad requiere una combinación de sistemas y sensores, incluidos giroscopios, acelerómetros e IMU, que ayuden a corregir los datos de los sensores. "Porque no hay nada que puedas hacer para que un dron sea más estable", dijo Chabot, "especialmente cuando empieza a hacer viento y ráfagas".

A medida que aumentan los tiempos de vuelo, los drones pueden aprovechar tolvas y pulverizadores de mayor capacidad, como el mencionado DJI AGRAS T40, que puede ejecutar hasta 40 kg de líquido para pulverizar por 50 kg de material para esparcir. Sin embargo, el uso de cualquier volumen de carga útil daría como resultado que el peso de todo el bulto exceda los 25 kg, que en muchos territorios es el umbral que requerirá licencias adicionales.

Mientras que los pulverizadores basados ​​en drones utilizaban tradicionalmente boquillas de abanico plano, los atomizadores rotativos se utilizan cada vez más. Este tipo de boquilla se puede ajustar para proporcionar tamaños de gotas uniformes y cobertura incluso en caudales desiguales.

Cuando se trata de aplicaciones como la entrega con drones o el despliegue automatizado de fertilizantes o pesticidas, el desarrollo se centra en drones que vuelan fuera de la vista de sus operadores.

"El gran enfoque en este momento está en lo que llaman aplicaciones más allá de la línea de visión, o BVLOS", dijo Jeremy Laliberte. "Y este es un tipo de impulso global para implementar estas regulaciones de modo que los operadores puedan, ya sabes, operar drones mucho más allá de la línea visual e incluso en algunos casos sin supervisión humana directa durante todo el vuelo, como tal vez los drones. "Están siendo monitoreados por alguien parecido a un controlador de tráfico aéreo. Pero el operador no los conduce directamente a menos que sea necesario".

Este tipo de operación requiere sensores e identificación a bordo más avanzados, sistemas operativos que Laliberte tiende a clasificar en dos tipos. La primera categoría es cooperativa, lo que permite que los drones operen y sean rastreados de manera mucho más parecida a los aviones tradicionales con sensores del sistema para evitar colisiones de tráfico (TCAS), incluidos transpondedores activos que informan información como posición, velocidad y rumbo.

La segunda categoría es la no cooperativa, donde los drones no informan activamente su posición, como ocurre con los aviones ultraligeros modernos. "Por lo tanto, se necesitan otras formas de detectarlos", dijo Laliberte. Esto incluye sensores ópticos y de radar. "Algunos de ellos son lo suficientemente pequeños como para ser montados en drones, otros no, por lo que esta es otra área de investigación activa y miniaturización de estos sistemas, haciéndolos seguros y demostrando que tienen la confiabilidad para cumplir con los estándares regulatorios".

Esos estándares mismos continúan madurando, especialmente cuando se trata de drones destinados a aplicaciones gubernamentales y militares. Jeff Randall, de Maxon, concluye: "Lo que la FAA no quiere es que los drones caigan del cielo porque el motor se rompió, porque una unión de cables era débil y dejó de funcionar".

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