Por Luis Moreno Lorente, Universidad Carlos III
En los últimos 25 años se ha producido un enorme avance en los Unmaned Aerial Vehicles (UAVs), popularmente llamados drones. SESAR, el pilar tecnológico de Cielo único Digital de la Unión Europea, ha dado una cifra para el futuro: 400 000 drones comerciales y de los gobiernos sobrevolarán el espacio aéreo europeo de aquí a 2035, pero podrían ser más.
Si calculamos, por hacer una estimación, que habrá un dron cada 10 km², en España saldrían 50 000 más o menos. Y volarán, si no cambia la legislación, a menos de 150 metros del suelo.
El cielo se va a llenar de aeronaves no tripuladas. La ciencia ficción no da mucho juego para imaginar como serán las cosas, porque el futuro en las películas se imaginó habitualmente con coches voladores, pero no con naves sin piloto, prestando todo tipo de servicios.
Sin perderlos de vista
Los vehículos aéreos no tripulados (UAV) pueden ser de ala fija o multirrotores. Arrancaron como vehículos teleoperados y se han ido sofisticando cada vez más. Hoy ya existen los autopilotos, que ejecutan de forma automática la trayectoria de vuelo que determine un operardor.
La trayectoria establecida se envía mediante un enlace de radio al UAV y este la ejecuta, mandando periódicamente sus datos de posición a la estación. Pero, a día de hoy, para que todo vaya bien y no perder el control, el operador debe tener a la vista al UAV.
Esta forma de control es la que más se utiliza actualmente, pero presenta un gran número de complicaciones, y es imprescindible resolverlas ante el aumento del número de vehículos que poblarán nuestro espacio aéreo.
Para empezar, la planificación automática de las trayectorias se complica en entornos complejos, como ciudades, zonas con orografía difícil, obstáculos altos, etc. Por otro lado, el corto alcance de las comunicaciones que se usan implica la pérdida del control del UAV más allá de una cierta distancia. Hay un problema adicional, y es que hace falta un operador por cada dron.
Hay un punto débil añadido, y es que cada UAV es planificado, operado y controlado individualmente sin tener en cuenta a los demás vehículos que pueda haber en la zona.
Volar con más drones cerca
Cuando el número de UAVs aumenta, el control se complica. Si pensamos en que el dron va a volar en un entorno complejo, donde puede haber edificios altos y el operador que supervisa el UAV no puede mantener un contacto visual con el vehículo, hay que planificar automáticamente las trayectorias de vuelo, coordinarlas con otros drones cercanos, y controlar su correcta ejecución para evitar conflictos potenciales entre los vehículos aéreos que pudieran derivar en accidentes.
En este contexto se ubica el proyecto Europeo Labyrinth H2020. En él se aborda la planificación y el control automático de múltiples UAVs volando al mismo tiempo, garantizando la seguridad del transporte civil en puertos, carreteras, aeropuertos y para soporte en emergencias.
La coreografía perfecta
En estos entornos limitados se lleva a cabo una planificación para cada conjunto de UAVs. Determinamos las trayectorias de vuelo, que no solo incluyen la posiciones espaciales (longitud, latitud y altura sobre el terreno) sino además el tiempo en el que deben pasar por cada punto señalado.
La planificación de estas trayectorias debe evitar los obstáculos en el terreno. Hay que tener en cuenta que la legislación actual limita la altura máxima en relación al terreno a la que puede volar el vehículo, que es inferior a 150 metros.
Esto, en el caso de entornos no urbanos o industriales o zonas urbanas de viviendas unifamiliares, no es un gran problema, pero en el caso de grandes ciudades supone un una dificultad importante, ya que muchos edificios superan las 20 plantas (65 o 70 metros de altura) y en bastantes casos hay rascacielos que alcanzan alturas próximas o superiores a los 150 metros.
Mapas en 3D de cada zona de vuelo
En los entornos complejos, los planificadores necesitan usar mapas tridimensionales de la zona por la que se van a mover. Estos se obtienen a partir de los mapas Lidar o similares que proveen los diversos Institutos Geográficos de cada país.
Estos mapas pueden convertirse en mapas 3D de ocupación espacial, que indican para una cierta celda espacial (un cubo de altura, anchura y profundidad determinadas) si ese espacio puede cruzarse o no. Con esta información es posible determinar trayectorias tridimensionales seguras, en las que los UAVs evitan los obstáculos.
Simulación de vuelo de 10 UAVs coordinados, siguiendo las rutas planificadas sobre un mapa en 3D de un entorno complejo, como una ciudad. Author provided
La comunicación con el UAV ha de ser inmediata
Una segunda dificultad que se plantea es la necesidad de mantener a todos los UAVs identificados y recibir información de su estado durante el vuelo. Hay que conocer su posición exacta, velocidad, orientación, y otros parámetros en cada momento. Esto es necesario para determinar si está ejecutando de forma correcta la trayectoria sin que haya desviaciones significativas respecto a lo planificado tanto espacial como temporalmente.
Para esto se requiere un sistema de comunicaciones rápido, seguro y de gran alcance.
Tradicionalmente se utilizan enlaces de radiofrecuencia específicos, pero esto, que es razonable para un único UAV, no es viable para un numero alto de UAVs en vuelo al mismo tiempo. La tendencia es que las comunicaciones se hagan usando las redes de telefonía móvil 5G. Por ellas se envían las rutas de vuelo, la información de estado del UAV y los datos del entorno que el UAV recoge con sus sensores.
Impedir hackeos durante el vuelo
Esto nos lleva al tercer problema, que es la necesidad de mantener todo el sistema de control y gestión del tráfico de UAVs con un nivel de seguridad que impida intrusiones indeseadas en el sistema, es decir la ciberseguridad del mismo.
Se está empezando a probar el buen funcionamiento de estos sistemas en entornos limitados y controlados: puertos, aeropuertos, zonas agrícolas e industriales. Una vez demostrado que funciona, se irá ampliando su uso a otras áreas, hasta llegar a la ciudad.
Así, es previsible que gradualmente se empiece a ver un aumento de UAVs operando en nuestros cielos. En todo caso, su incorporación a nuestra vida cotidiana es algo que sin duda se va a producir.
Luis Moreno Lorente, Catedrático de Universidad del área de Ingeniería de Sistemas y Automática, Universidad Carlos III
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.
