El concepto ALAADy, enfocado en el transporte automatizado de cargas en altitud baja, requiere validación no solo teórica, sino operativa. La creación de un demostrador tecnológico funcional representa una transición crítica de la simulación a la aplicación práctica, permitiendo detectar desafíos imprevistos en la implementación real. El objetivo principal es probar la viabilidad técnica y operativa de una aeronave no tripulada capaz de transportar hasta 200 kg de carga, con integración en cadenas logísticas simples y una estricta evaluación de riesgos operacionales bajo el marco regulador emergente.

El sistema se ajusta a la metodología SORA (Specific Operations Risk Assessment), un enfoque centrado en la misión que define el nivel necesario de garantía de seguridad a partir del riesgo asociado a un escenario operativo dado. La lógica es directa: cuanto mayor es el riesgo de pérdida de vidas o daño ambiental ante un fallo, mayor será la exigencia en términos de mitigación y certificación. En este contexto, se elige un girocóptero como plataforma base debido a su estabilidad inherente, su capacidad de autorrotación sin intervención activa y su sencillez mecánica. Su habilidad para despegar y aterrizar en espacios reducidos, junto a su historial de seguridad en operaciones tripuladas, lo posicionan como una solución prometedora.

El girocóptero MTOfree, desarrollado por AutoGyro GmbH, se modifica sustancialmente para su conversión a aeronave no tripulada. Se eliminan los componentes necesarios solo para operación tripulada —cabina, asientos, mandos— y se implementa una estructura rectangular para albergar los módulos de carga y aviónica. La célula, fabricada en tubos de acero inoxidable soldados por gas inerte, se combina con un rotor principal basculante de aluminio extruido y superficies de control en materiales compuestos. Un motor Rotax 912 ULS de 100 HP en configuración de empuje permite velocidades de crucero de 100 km/h, una tasa de ascenso de 3.4 m/s y un alcance operativo de 400 km.

El peso total de despegue se limita a 500 kg. Partiendo de una célula base de 220 kg, se asignan 200 kg a la carga útil, 45 kg al combustible y el resto —aproximadamente 35 kg— a la aviónica: sensores, actuadores, computadoras y sistemas auxiliares. La alimentación de los actuadores se realiza mediante baterías adicionales, obviando una optimización de peso más compleja en esta etapa inicial.

La arquitectura del sistema se ve influida por tecnologías previamente seleccionadas. Se utilizan actuadores electromecánicos de un proveedor con experiencia en proyectos anteriores, elegidos conforme a simulaciones de fuerzas y velocidades de respuesta requeridas. No existe, a día de hoy, un sistema de control de vuelo listo para ser integrado en un girocóptero de estas características, lo que requiere inicialmente la intervención de un piloto remoto con autoridad de control manual durante las pruebas de vuelo. Esta solución permite iniciar ensayos prácticos sin esperar al desarrollo completo del sistema automático.

El desarrollo del demostrador incluye disciplinas interconectadas: diseño del concepto operativo, implementación del marco SORA, adaptación de la célula, desarrollo de software y hardware, análisis de la dinámica de vuelo del sistema modificado, entrenamientos del equipo de pruebas, ejecución de vuelos experimentales y análisis de resultados. Todo ello gestionado mediante un enfoque ágil que permite adaptarse rápidamente a cambios regulatorios, hallazgos técnicos o ajustes del propio concepto ALAADy.

Este enfoque interdisciplinario no solo valida ideas previamente desarrolladas en entornos simulados, sino que permite detectar lagunas técnicas, limitaciones regulatorias y desafíos operativos reales. La transición de un sistema tripulado a uno autónomo implica asumir riesgos y adaptarse a un marco legal en evolución. El desarrollo no persigue, en esta etapa, un diseño definitivo ni un producto comercial, sino una plataforma experimental enfocada en la investigación aplicada.

El entorno regulatorio europeo, en especial las normativas emergentes sobre sistemas aéreos no tripulados, obliga a una adaptación continua. La aplicación de SORA, hasta ahora centrada en aeronaves de ala fija o multirrotores, encuentra aquí un caso singular: el girocóptero automatizado como nueva tipología operacional. Esto introduce incógnitas adicionales, especialmente en lo que respecta a la evaluación de riesgos y garantías de seguridad sin precedentes comparables.

La integración progresiva de autonomía de vuelo, asociada al cumplimiento normativo y la garantía de seguridad operacional, marca un paso decisivo hacia una nueva categoría de transporte aéreo ligero automatizado. La experiencia adquirida en este desarrollo establece un precedente metodológico y técnico para futuras implementaciones en entornos civiles, logísticos o de emergencia.

Es crucial, además, que el lector comprenda que más allá de las especificaciones técnicas o regulatorias, la clave del avance en esta área está en la validación práctica de conceptos teóricos. La capacidad de convertir una célula tripulada en un sistema automatizado funcional no solo depende de ingeniería, sino de una comprensión profunda de la interacción entre regulación, seguridad, operación y tecnología emergente. Esta integración sistémica es lo que determina la viabilidad futura del transporte automatizado en altitudes bajas.

¿Cómo se gestionan y visualizan los datos en las estaciones de control de vuelo?

En los sistemas de control de vuelo, la gestión de datos es crucial para garantizar un rendimiento eficiente y seguro. En situaciones donde los datos llegan a una tasa que el hilo central no puede manejar, existe una rutina de emergencia que descarta la información antes de escribirla en el búfer, evitando sobrecargar la memoria RAM y permitiendo que otros procesos del sistema sigan funcionando sin interrupciones. Esta es una medida clave para mantener la estabilidad y evitar el fallo del sistema.

En cuanto al registro de datos, se utiliza un formato tabular legible por humanos, almacenando la información en múltiples archivos. En general, la cantidad promedio de datos registrados alcanza aproximadamente 2 Mbit/s tanto para el CIC como para el FCC. Estos datos, que incluyen variables de estado del sistema y condiciones del vuelo, son vitales para los operadores del sistema de la aeronave, que deben tener acceso a esta información para poder realizar ajustes según sea necesario.

La estación de control de vuelo o Ground Control Station (GCS) desempeña un papel esencial durante las pruebas de vuelo, proporcionando a los operadores de sistemas de la aeronave y a los pilotos la información necesaria para el manejo seguro de la aeronave. Los operadores del sistema de la aeronave requieren detalles extensivos sobre las condiciones de vuelo, el estado de los sistemas y la configuración de los sistemas experimentales. Además, necesitan una interfaz que les permita seleccionar el modo de la aeronave y definir su trayectoria de vuelo.

Para los pilotos, por otro lado, la información debe ser presentada de manera intuitiva y fácil de acceder, con un enfoque claro en las condiciones de vuelo relativas a los límites de la aeronave. Dado que los pilotos deben mantener su enfoque visual entre la aeronave y la pantalla de la GCS, lo que puede resultar en espacios de tiempo que aumentan el riesgo de perder el control, el piloto de monitoreo se encarga de transmitir la información relevante por radio. El display utilizado por el piloto monitoreador combina instrumentos tradicionales de vuelo con una vista en planta del área de vuelo, permitiendo una supervisión eficaz sin que el piloto tenga que desviar constantemente la mirada.

Este sistema gráfico de interfaz está basado en el software U-Fly GCS desarrollado por el DLR, y ofrece información básica como la velocidad del motor y del rotor, así como los estados relevantes del vuelo, como la velocidad del aire, la altitud, la posición de la aeronave y los límites del área de pruebas de vuelo. Para evitar cualquier falla en caso de mal funcionamiento de un dispositivo, los tablets utilizados por el piloto monitoreador pueden conectarse a una segunda unidad, garantizando la continuidad de la operación en todo momento. Además, ambas unidades están conectadas a la GCS del operador del sistema de la aeronave a través de una conexión WLAN, asegurando una comunicación eficiente y continua.

En cuanto a la interfaz del operador del sistema de la aeronave, esta está diseñada con un equilibrio entre una estructura visual bien definida, la capacidad de mostrar un gran volumen de información y la flexibilidad necesaria para adaptarse a los cambios frecuentes en los requisitos de implementación. La interfaz utiliza fuentes de colores para resaltar la información importante, como el estado de los sistemas fuera de los rangos esperados. Además, permite la selección del modo de la aeronave y la planificación y carga de la trayectoria de vuelo.

La comunicación entre la GCS y el sistema de la aeronave se maneja a través de un enlace de datos C2 mediante una aplicación en el notebook del operador del sistema de la aeronave. Los datos del demostrador se transmiten a otros módulos de software de la GCS mediante LAN o WLAN, utilizando el middleware BBOO.

Este proceso es complementado por el desarrollo de pruebas, la integración continua y las pruebas unitarias, esenciales para asegurar que tanto el hardware como el software funcionen correctamente bajo las condiciones más realistas posibles. Es importante destacar que en los entornos de desarrollo, como la simulación en bucle de hardware y software, se lleva a cabo un entrenamiento y pruebas del equipo de vuelo para garantizar que todos los nuevos componentes sean eficaces antes de ser implementados en pruebas de vuelo reales.

Además de las pruebas de vuelo y de aceptación, se realizan pruebas de mantenimiento y de sistema en su conjunto para observar los efectos a largo plazo bajo condiciones de prueba reproducibles. Estas pruebas son fundamentales para garantizar que cualquier fallo o comportamiento inesperado en los sistemas pueda ser corregido antes de cualquier operación real.

Es importante que los desarrolladores y los operadores comprendan no solo la eficiencia y estabilidad de estos sistemas, sino también el riesgo que representa cualquier falta de supervisión o mal manejo de la interfaz. La correcta integración y prueba del sistema son esenciales para evitar problemas de seguridad en condiciones operativas críticas.

¿Cómo afecta la interacción entre el rotor y las alas en el rendimiento de un girocóptero?

El vuelo del girocóptero ACG2 ha demostrado características únicas en cuanto a control, rendimiento y estabilidad, gracias a la interacción precisa entre su rotor y alas. Durante el despegue, uno de los aspectos más destacados fue la eficiencia con la que el rotor comenzó a girar tan pronto como el vehículo aumentaba su velocidad sobre el terreno. A medida que el girocóptero se elevaba, el ángulo de ataque del rotor se ajustaba automáticamente para alcanzar el valor necesario para el vuelo, lo que permitía una aceleración eficiente y un ascenso controlado. La velocidad de rotación del rotor, que inicialmente se encontraba en torno a los 400 rpm durante el pre-rotado, aumentaba hasta 450 rpm durante el vuelo, ajustándose a la velocidad de vuelo y a la posición del timón de profundidad.

En cuanto al rendimiento en vuelo, el ACG2 mostró características de manejo satisfactorias. El piloto informó que no se requerían casi ninguna entrada de control para el despegue y la fase de ascenso, lo que indicaba una alta estabilidad y facilidad de control. Con un peso de 37 kg, una velocidad del viento en frente de 7 km/h y un pre-rotado de 400 rpm, la distancia de despegue fue de solo 7 metros, lo que refleja la eficiencia del diseño en términos de espacio necesario para iniciar el vuelo.

La fase de aterrizaje también mostró la eficacia del diseño del ACG2. Uno de los mayores beneficios de este tipo de aeronave es la baja velocidad de aproximación, lo que permite un aterrizaje más corto. En la fase de aterrizaje, la velocidad mínima registrada al tocar tierra fue de 25 km/h. Tras el aterrizaje, el rotor se utilizaba para reducir la velocidad del girocóptero inclinando el rotor hacia atrás y dirigiendo el vector de empuje hacia atrás. Este mecanismo contribuyó a una distancia de rodaje de aterrizaje extremadamente corta, similar a la distancia de despegue, a pesar de que el vehículo no estaba equipado con frenos en las ruedas.

Sin embargo, el diseño de la configuración del tren de aterrizaje, en combinación con un tren de aterrizaje ancho, presentó algunos desafíos inesperados. A diferencia de los aviones, el rotor de los girocópteros no depende de la velocidad de vuelo hacia adelante para generar sustentación, lo que, si bien es ventajoso para vuelos lentos, puede ser desventajoso después del aterrizaje. Durante la fase de toque y rodaje, si una de las ruedas se atascaba, un movimiento no deseado de guiñada podría ocurrir. Este efecto desestabilizador se debía al centro de gravedad detrás del tren de aterrizaje, lo que exigía una corrección por parte del piloto utilizando los timones, aunque la baja presión dinámica en las superficies estabilizadoras y timones podría hacer que la corrección no fuera suficientemente efectiva.

En vuelo de crucero, los experimentos de vuelo mostraron la interacción entre el rotor y el ala fija, algo crucial para comprender la dinámica de vuelo del ACG2. El ACG2 cuenta con un timón de profundidad ajustable en el estabilizador horizontal, lo que permite modificar el momento de pitching del fuselaje de manera independiente al rotor. Al reducir la carga del rotor, se disminuye la resistencia del rotor y, por lo tanto, la velocidad de rotación del rotor disminuye, lo que conlleva a una mayor relación de avance del rotor. Esta relación aumentada provoca un mayor ángulo de aletazo del rotor, lo que obliga al piloto a compensar mediante control de pitch.

Los resultados de los experimentos de vuelo indicaron que el coeficiente de momento de pitching del fuselaje debe ser elegido cuidadosamente, especialmente cuando el rotor es el único medio activo de control para el pitch y el rollo. A medida que la velocidad del vuelo aumentaba, la sustentación del ala fija también lo hacía, descargando progresivamente al rotor. En condiciones de alta velocidad, el riesgo de un pitch up descontrolado aumentaba, ya que el rotor podía descargarse, lo que reducía la autoridad del piloto sobre el control del avión.

Aunque el diseño inicial del ACG2 permitió un control bastante eficiente en fases de despegue y aterrizaje, los vuelos a altas velocidades evidenciaron algunos problemas. La distribución de la sustentación en vuelos rápidos resultó inadecuada debido a la posición del ala y al flujo de aire propulsado sobre la superficie del ala por el motor, lo que generaba un momento de pitching hacia arriba combinado con una alta fuerza de sustentación en las alas y una baja fuerza de rotor. Esto hizo que el control del vehículo fuera más difícil a altas velocidades. Por tanto, es esencial que en futuros diseños, el timón de profundidad sea utilizado continuamente para asegurar una carga suficiente del rotor. Además, se debe reconsiderar la distribución de la carga aerodinámica, mediante una posible reubicación tanto del ala como del rotor, para equilibrar de manera más efectiva las fuerzas en vuelo rápido.

Es necesario resaltar que la interacción entre el rotor y el ala fija no solo afecta el control del vehículo, sino que también influye significativamente en el rendimiento general del girocóptero. Por ejemplo, la eficacia de los sistemas híbridos y eléctricos, probados en modelos similares, podría optimizarse mediante la integración de propulsores eléctricos adicionales en el borde de ataque de las alas fijas, lo que no solo aumenta la sustentación, sino que también reduce la distancia de despegue y aterrizaje. Además, la utilización de sistemas de paracaídas en vehículos de ala fija ha demostrado ser una medida prometedora para aumentar la seguridad durante aterrizajes de emergencia.

La Interfaz Hombre-Máquina en el Control de Vehículos Aéreos No Tripulados: Diseño y Requerimientos de Información

En la evolución de los sistemas de autonomía, como se menciona en los estudios de Sheridan (1987), se subraya la importancia de la interacción constante entre el piloto y el sistema cuando la autonomía alcanza el nivel cuatro según la escala PACT. En este caso, los diseñadores deben garantizar que el sistema informe continuamente al piloto sobre sus acciones e intenciones, de lo contrario, una intervención humana en caso de fallo del sistema se vuelve extremadamente difícil. En años recientes, Drone Industry Insights ha propuesto cinco niveles de autonomía para drones, que van desde el Nivel 0, sin automatización, hasta el Nivel 5, que implica una automatización total con planificación de vuelos asistida por inteligencia artificial (DRONEII 2019). Estos niveles reflejan el avance hacia la integración de sistemas autónomos, lo que requiere un diseño de interfaz hombre-máquina (HMI) que garantice la seguridad y eficacia de las operaciones.

El desarrollo de una interfaz HMI eficaz para el control de vehículos aéreos no tripulados (UAS) comienza con la definición clara de la asignación de funciones. Esta asignación determina las tareas que debe ejecutar el piloto a través de los dispositivos integrados en la estación de control en tierra (GCS). Para definir correctamente qué funciones serán realizadas por el piloto, es esencial comprender el dominio de trabajo subyacente. Una de las metodologías más empleadas para este fin es el Análisis Cognitivo del Trabajo (CWA), que permite modelar cómo se puede llevar a cabo el trabajo dentro de sistemas sociotécnicos complejos (Jenkins 2012). CWA, a diferencia de otros enfoques, se centra en las restricciones y capacidades del sistema, lo que proporciona flexibilidad frente a situaciones no anticipadas.

El análisis del dominio de trabajo (WDA) dentro del marco de CWA descompone el sistema en subsistemas más pequeños, identificando las funciones y los objetivos generales. A través de esta descomposición, se puede establecer una jerarquía de abstracción, que facilita la visualización de los procesos desde los objetivos funcionales del sistema hasta los objetos físicos involucrados en la operación del UAS. Cada nivel de esta jerarquía muestra cómo las funciones se ejecutan para cumplir un propósito más amplio, facilitando así la toma de decisiones durante el vuelo.

A partir de esta jerarquía de abstracción, se derivan los requisitos de información para la interfaz HMI. Por ejemplo, el piloto debe conocer la ubicación del UAS y de otros tráficos cercanos, así como los posibles aeropuertos adecuados o áreas de impacto donde el UAS podría aterrizar en caso de un fallo del motor. Además, el HMI debe proporcionar información sobre espacios aéreos prohibidos y áreas donde el impacto no representaría un peligro para personas o infraestructuras. Estos requisitos son esenciales en situaciones críticas, como la pérdida de empuje de un motor, cuando la opción de tomar decisiones rápidas se convierte en una cuestión de seguridad.

Un ejemplo claro de cómo se implementan estos requisitos de información es el sistema U-FLY, desarrollado en el Instituto de Guía de Vuelo del DLR, que es un GCS diseñado para supervisar y guiar UAS. En este sistema, el HMI visualiza las opciones disponibles para el piloto en caso de una emergencia, como el aterrizaje en el aeropuerto más cercano o el aterrizaje controlado en una zona de impacto. La información se presenta de manera clara y comprensible: las áreas de aterrizaje adecuadas están señaladas en verde, las zonas prohibidas en rojo y las áreas de impacto en amarillo, lo que permite al piloto tomar decisiones informadas en tiempo real.

Además de la visualización básica de los datos, el sistema U-FLY implementa funcionalidades que permiten una supervisión continua del UAS, alertando al piloto sobre cualquier anomalía y proporcionando recomendaciones basadas en la situación del vuelo. Esta interacción entre el piloto y el sistema no solo mejora la seguridad, sino que también optimiza la eficiencia operativa, ya que el piloto puede tomar decisiones con base en un conjunto completo de información actualizada.

La importancia de un diseño adecuado de la HMI radica en que el sistema debe adaptarse a las necesidades del piloto y permitirle interactuar con el UAS de manera eficiente, sin sobrecargarlo de información innecesaria o confusa. En un sistema autónomo, el piloto puede desempeñar un papel pasivo, pero siempre debe estar preparado para intervenir si el sistema falla. La clave está en ofrecer una interfaz que sea intuitiva y que brinde la información esencial de manera clara y directa, permitiendo que el piloto pueda actuar con eficacia, incluso en situaciones de alta presión.

El diseño de la HMI no se limita solo a la visualización de datos en tiempo real. También incluye la consideración de cómo los sistemas pueden reaccionar de manera autónoma ante situaciones no previstas. Un enfoque flexible y adaptable es crucial, ya que en sistemas sociotécnicos complejos como los UAS, no siempre existe una única manera correcta de lograr los objetivos. La CWA, al enfocarse en las capacidades y restricciones del sistema, asegura que el diseño de la HMI permita al piloto tomar diversas estrategias para abordar diferentes situaciones, según las condiciones operativas.

¿Cómo debe diseñarse el concepto de enlace de datos para aeronaves no tripuladas de carga?

El diseño del enlace de datos para aeronaves no tripuladas (UA) de carga debe responder a múltiples requisitos técnicos y operacionales que garantizan una comunicación segura, eficiente y robusta entre la aeronave y el piloto remoto. En este contexto, la tasa de actualización y el tamaño de los paquetes de datos determinan el ancho de banda necesario para la transmisión de comandos y el envío de información de estado. Por ejemplo, los comandos de control hacia la aeronave se envían a una tasa de 1 Hz con paquetes de aproximadamente 128 bytes, resultando en un requerimiento de ancho de banda cercano a 1 kbit/s. Por otro lado, la información enviada desde la UA hacia el piloto remoto incluye un espectro más amplio de datos: identificadores únicos, posición en cuatro dimensiones (latitud, longitud, altitud y tiempo), estado de vuelo, velocidad, orientación, estado de sensores GNSS, motores y datos para la detección y evasión de intrusos (DAA). La inclusión de información DAA, especialmente cuando la UA detecta hasta 50 aeronaves intrusas mediante transpondedores FLARM, puede elevar el ancho de banda requerido hasta cerca de 120 kbit/s en sentido inverso.

Este flujo bidireccional de datos requiere un enlace robusto, que soporte comunicaciones dirigidas a aeronaves específicas, movilidad de hasta 200 km/h y operaciones en altitudes desde el nivel del suelo hasta 150 metros. Asimismo, debe permitir vuelos más allá de la línea visual directa (BVLOS), garantizando la cobertura durante trayectos de cientos de kilómetros. Además, la seguridad es fundamental, pues el enlace debe estar protegido contra ataques y debe permitir al piloto remoto monitorear el estado de la conexión para detectar interrupciones.

En el marco del proceso SORA (Specific Operations Risk Assessment) de JARUS, el nivel de seguridad y confiabilidad del enlace de datos está vinculado al nivel de garantía específico para cada operación (SAIL). Este nivel determina la robustez requerida para el enlace C3, que comprende todas las funciones necesarias para asegurar una operación segura entre la UA y el piloto remoto. Un SAIL bajo implica requisitos mínimos de robustez y de integridad, mientras que niveles altos demandan un estricto cumplimiento de criterios técnicos, como el uso exclusivo de bandas de frecuencia licenciadas, lo que excluye bandas ISM comunes en redes Wi-Fi o ZigBee, priorizando en cambio redes celulares (GSM, UMTS, LTE) que ofrecen mayor fiabilidad y menor interferencia.

La integridad del enlace debe garantizar parámetros esenciales como disponibilidad, continuidad, integridad de datos y tiempos de expiración de las transacciones, según lo definido por ICAO. Además, los pilotos remotos deben tener la capacidad de monitorear el desempeño del enlace en tiempo real. En términos de aseguramiento, dependiendo del nivel de SAIL, el operador debe declarar o demostrar que el enlace cumple con los estándares aplicables, a pesar de que en la actualidad no existen estándares definitivos homologados, los cuales podrían ser dictados en el futuro por autoridades nacionales de aviación.

La arquitectura del enlace de datos enfrenta el reto de operar sobre redes no dedicadas, dado que no existen redes específicas para el control y mando de UA de carga de larga distancia, lo que implica una necesidad imperiosa de adaptarse a las limitaciones y características de las redes disponibles, sin comprometer la seguridad y la eficiencia operativa.

Es importante que el lector entienda que el concepto de enlace de datos no solo debe considerarse desde una perspectiva técnica de ancho de banda o integridad, sino también dentro del marco normativo y de seguridad operacional, donde cada componente —desde la transmisión hasta la protección contra ataques y la capacidad de monitoreo— es fundamental para la viabilidad y aceptación de las operaciones con aeronaves no tripuladas en espacios aéreos complejos y regulados.

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