¿Cómo validar la autonomía segura en aeronaves no tripuladas?

En la exploración de la autonomía en aeronaves no tripuladas (UAS), la validación de los conceptos y sistemas desarrollados es un aspecto crucial, especialmente cuando se trata de aplicaciones reales en el ámbito de la aviación comercial. Aunque la simulación es una herramienta potente para modelar y prever el comportamiento de estos sistemas, no siempre puede capturar la totalidad de las interacciones complejas que ocurren en situaciones reales. Por ello, se requiere un enfoque combinado que integre tanto la simulación como la demostración tecnológica en el mundo físico.

Para superar estas limitaciones, se propone el uso de un demostrador tecnológico físico, como el ALAADy Demonstrator. Este prototipo no solo valida los conceptos desarrollados, sino que también es la prueba definitiva para confirmar la viabilidad de los diseños. El ALAADy Demonstrator, basado en un autogiro de ultraligero, ha sido adaptado para funcionar como una aeronave no tripulada, lo que permite realizar pruebas reales en condiciones de vuelo. Este tipo de aeronave es ideal para demostrar aspectos clave de seguridad operacional, ya que, gracias a su diseño, el rotor principal permanece en autorrotación durante el vuelo, lo que le otorga una ventaja significativa frente a otros tipos de aeronaves en caso de fallo de motor. La capacidad de aterrizar de forma segura y controlada, incluso en situaciones de emergencia, sin necesidad de paracaídas, es uno de los elementos más destacados de este enfoque.

El desarrollo de este demostrador físico va más allá de las pruebas de vuelo convencionales, al incorporar modificaciones mecánicas, de aviónica y de software que permiten evaluar la aeronave en condiciones de operación real. Las fases iniciales del proyecto permitieron vuelos automatizados bajo condiciones visuales, y se prevé que el siguiente paso sea habilitar misiones de transporte reales, lo que brindará una validación adicional de los hallazgos conceptuales.

Además de los avances tecnológicos, es fundamental comprender que la validación de sistemas autónomos no se limita a la comprobación de su funcionamiento individual, sino que debe abordar la integración de estos sistemas en un entorno más amplio, con todas sus complejidades y riesgos asociados. Este tipo de validación garantiza que los sistemas sean capaces de operar de manera segura y eficiente, minimizando los riesgos no solo para las aeronaves no tripuladas, sino también para el resto del sistema de transporte aéreo.

¿Cómo se logra una autorrotación estable y segura en un girocóptero de carga no tripulado?

El ingreso a una autorrotación vertical adecuada dentro de un rango de altitud inferior a 500 pies requiere un procedimiento cuidadosamente definido. Este procedimiento implica modificar los controles de paso del rotor para reducir la velocidad sin sobrepasar la altitud máxima permitida, lo cual permitiría entrar en un descenso vertical tras haber desacelerado correctamente. El control debe dirigirse a una posición predeterminada, adaptándose a un estrecho rango de velocidades y condiciones de carga útil. Si la velocidad inicial es demasiado baja, existe el riesgo de entrar en un vuelo hacia atrás, situación en la cual el efecto estabilizador del estabilizador vertical se invierte, creando un comportamiento inesperado de la aeronave.

La actitud de vuelo y la posición de los controles en el momento de la finalización del vuelo juegan un papel esencial en el comportamiento dinámico del vehículo. Para ampliar el espectro de situaciones desde las cuales sería posible iniciar una maniobra de terminación automática, se descartó la autorrotación puramente vertical. En su lugar, se definió como objetivo primario establecer una autorrotación casi vertical, con velocidad hacia adelante reducida pero suficiente para permitir una amortiguación aerodinámica generada por las superficies estabilizadoras, estabilizando así los movimientos lateral y longitudinal.

El control de alabeo del rotor se ajusta de forma que el girocóptero entra en una curva hacia la izquierda, mientras que el control de paso del rotor se desplaza hacia una posición trasera adecuada para vuelos muy lentos, inferiores a 50 km/h. La deflexión del timón hacia la izquierda refuerza la maniobra, logrando una condición estable sin necesidad de control activo en bucle. Simulaciones iniciales de estas maniobras fueron demostradas en los trabajos de Schopferer et al. (2021) y Schirmer y Torens (2021).

La maniobra comenzó en vuelo horizontal. Se redujo la palanca de empuje a cero. Simultáneamente, se deflectó el timón hacia la izquierda, se inclinó levemente el rotor hacia ese lado (ángulo de alabeo ξRH), y se redujo el ángulo de cabeceo del rotor ηRH. El girocóptero desaceleró y entró en un vuelo circular con un ángulo de alabeo φ = 27° y un ángulo de cabeceo θ = 33°, mostrando una tasa de giro r = 20°/s y una tasa de cabeceo q = 10°/s, ambos con escasa variación. La velocidad de descenso fue de 8 m/s (aproximadamente 29 km/h), manteniéndose dentro de un radio de 45 metros. Durante la fase de descenso, un aumento progresivo del ángulo de cabeceo del rotor permitió reducir aún más la velocidad vertical. Este ajuste más progresivo fue seleccionado como configuración estándar para el procedimiento de emergencia aplicado en el demostrador no tripulado de girocóptero del DLR, tal como se describe en Lorenz et al. (2021).

Con el objetivo de validar las capacidades de girocópteros de carga en condiciones reales, se diseñaron y construyeron dos plataformas de prueba. El demostrador ALAADy se derivó de una configuración de girocóptero ultraligero ya conocida, a la cual se añadieron actuadores y ordenadores adicionales para permitir un vuelo completamente automatizado con una carga útil representativa. Este demostrador, con un peso de 450 kg, sirvió como base para posteriores desarrollos.

Para estudiar la dinámica de vuelo de un girocóptero de carga con fuselaje de gran volumen y alas fijas adicionales, se diseñó el modelo a escala Air Cargo Gyro 2 (ACG2), que fue probado tanto en túnel de viento como en vuelos experimentales. Este modelo integra dos motores eléctricos que impulsan hélices contra-rotatorias con una potencia máxima de 7 kW cada uno. La pre-rotación del rotor se realiza mediante un motor eléctrico independiente. Gracias a las cápsulas de acumuladores situadas en las alas y al tamaño reducido de los demás componentes eléctricos, el fuselaje puede destinarse completamente al transporte de carga.

Los ensayos en túnel de viento con el ACG2 se llevaron a cabo en las instalaciones DNW-LLF en Brunswick. Se utilizó un túnel de viento aeroacústico de alta potencia (3.5 MW), capaz de alcanzar velocidades de hasta 90 m/s. Los experimentos evidenciaron la necesidad de

¿Cómo la simulación multisciplinaria mejora la entrega aérea no tripulada a baja altitud?

La simulación de escenarios multidisciplinarios es una herramienta clave para el diseño, desarrollo y validación de sistemas no tripulados, especialmente cuando se trata de aplicaciones complejas como la entrega aérea a baja altitud. El uso de aeronaves no tripuladas (UAS, por sus siglas en inglés) en la entrega de carga ha ganado popularidad por su capacidad para ofrecer una logística eficiente, pero al mismo tiempo presenta desafíos significativos debido a las múltiples variables que deben ser gestionadas durante la operación. En este sentido, la simulación juega un papel crucial, no solo como una técnica de validación, sino como una estrategia para optimizar el proceso de diseño y prever posibles riesgos operativos.

Un aspecto esencial en la simulación de estas operaciones es la integración de diferentes disciplinas. El caso de estudio ALAADy (A Low-Altitude Air Delivery System) demuestra cómo la simulación de varios módulos del sistema —que incluyen la aeronave, el entorno de vuelo y los sistemas de control— permite analizar y ajustar variables que afectan directamente la eficiencia y la seguridad de las entregas aéreas. La validación de estos modelos a través de simulaciones realistas se ha convertido en una parte indispensable de la ingeniería aeronáutica moderna.

El enfoque de ALAADy incluye la evaluación de tareas de validación, lo que implica comprobar la eficacia de los modelos de simulación ante diferentes condiciones operativas. Este proceso no solo permite verificar las características técnicas de los vehículos aéreos no tripulados, sino también evaluar los riesgos inherentes a la operación, como las interacciones con otros sistemas en el espacio aéreo o el comportamiento de la aeronave frente a condiciones climáticas cambiantes.

Los resultados experimentales obtenidos de estas simulaciones se convierten en datos valiosos para tomar decisiones informadas sobre el diseño y la estrategia operativa. A través de la simulación, es posible modelar diferentes escenarios que van desde un vuelo sin obstáculos hasta situaciones complejas que involucran la presencia de otros vehículos o condiciones meteorológicas extremas. La capacidad de prever y gestionar estos escenarios en un entorno virtual antes de realizar pruebas físicas permite no solo optimizar los procesos de diseño, sino también reducir costos y riesgos durante la fase de prueba y operación.

El sistema de simulación ALAADy también integra un marco modular, lo que permite una mayor flexibilidad y personalización en el análisis. Con módulos dedicados a la ejecución automatizada y variaciones de parámetros, la simulación es capaz de generar un amplio rango de situaciones operativas. Esto es crucial, ya que los sistemas de entrega aérea no pueden depender únicamente de condiciones ideales; por el contrario, deben ser capaces de adaptarse a un amplio espectro de posibles eventos.

Es importante destacar que, además de las evaluaciones técnicas, la simulación también permite realizar un análisis profundo de las compensaciones en el diseño. Estas compensaciones incluyen la eficiencia del vehículo frente a la capacidad de carga, la autonomía de vuelo, la estabilidad operativa, y la seguridad en entornos urbanos densos. Es decir, la simulación no solo tiene un propósito técnico, sino que también ayuda a equilibrar diversos factores que afectan la viabilidad operativa de estos sistemas.

Adicionalmente, un aspecto que debe entenderse claramente en este tipo de simulación es su capacidad para modelar tanto las variables estáticas como las dinámicas del entorno. En la simulación de entrega aérea, los aspectos relacionados con la geografía, las infraestructuras existentes, y los patrones de tráfico aéreo son fundamentales para prever posibles interferencias y diseñar rutas de vuelo seguras. La simulación debe ser capaz de integrar estos factores y realizar ajustes según sea necesario para optimizar tanto la seguridad como la eficiencia del sistema.

En conclusión, la simulación multidisciplinaria en la entrega aérea no tripulada es un proceso integral que permite a los ingenieros evaluar, ajustar y validar cada aspecto del sistema antes de implementarlo en el mundo real. La posibilidad de analizar diferentes escenarios en un entorno controlado no solo reduce los riesgos y costos asociados, sino que también mejora la capacidad de respuesta ante situaciones imprevistas, haciendo más eficiente la operación de aeronaves no tripuladas en escenarios de baja altitud.

¿Cómo el Sistema U-FLY Optimiza la Supervisión y Planificación de Misiones con UAVs?

El U-FLY permite la planificación de trayectorias en 4D, es decir, trayectorias que combinan posiciones tridimensionales con información temporal. Esta capacidad de planificación se basa en los parámetros de rendimiento de cada aeronave. Además, el sistema va más allá de las capacidades de un GCS (Ground Control Station), ofreciendo funciones avanzadas de planificación y vigilancia de misiones. Entre estas, se encuentra la creación de patrones de escaneo optimizados según los parámetros de rendimiento del avión y sus sensores, lo que permite una supervisión eficiente de áreas utilizando múltiples UAVs.

Durante la planificación y ejecución de misiones, el U-FLY también permite la detección estratégica de conflictos y su evitación con otros participantes del tráfico aéreo, o incluso con cierres dinámicos del espacio aéreo. El sistema puede importar áreas de alto riesgo desde fuentes externas para identificar la ruta de vuelo más segura, contribuyendo así a minimizar el riesgo general de la misión según la metodología SORA (Specific Operational Risk Assessment). En el caso específico de ALAADy, la ruta de vuelo de menor riesgo se determina evitando las zonas pobladas.

El U-FLY está diseñado para integrarse al marco europeo de servicios U-space, facilitando la interoperabilidad con otros sistemas y aumentando la seguridad en operaciones aéreas no tripuladas, como se contempla en el SESAR (SESAR Joint Undertaking 2017).

En el caso del demostrador ALAADy, algunos de los conceptos del GCS HMI fueron implementados para probar su funcionalidad en condiciones reales. Durante la demostración, el U-FLY se utilizó principalmente como estación de supervisión de la misión, evitando detalles regulatorios que no estaban relacionados con los objetivos del proyecto. El control directo del UAV fue llevado a cabo por un GCS dedicado operado por un piloto, mientras que en iteraciones futuras se prevé que el U-FLY asuma un control totalmente integrado del UAV.

Desde la perspectiva de la interfaz HMI del U-FLY, se identifican tres roles principales en el control y supervisión de la misión. El primero es el piloto encargado del control directo del avión, que opera un GCS en forma de control remoto manual. El segundo rol es el ingeniero de prueba de vuelo, que se encarga de monitorear los parámetros técnicos críticos para garantizar la seguridad, además de gestionar el conflicto en caso de encontrarse con otro avión y ejecutar la terminación del vuelo, si fuera necesario. Finalmente, el controlador de la misión es responsable de la planificación del vuelo y la supervisión del estado y progreso de la misión mediante las funciones integradas en el U-FLY.

El diseño de la interfaz de usuario del U-FLY en ALAADy incluye tres pantallas principales: la pantalla de supervisión técnica, el widget del plan de vuelo y la pantalla del mapa. La pantalla de supervisión técnica muestra parámetros clave como altitud, actitud, rumbo y velocidad del aire, junto con datos del motor, como las RPM del rotor, presión y temperatura del aceite, y temperatura de la cabeza del cilindro. El widget de plan de vuelo permite visualizar el plan de misión y un perfil vertical, mientras que la pantalla del mapa muestra la posición del UAV y las áreas críticas de la misión, incluyendo las geo-cercas. La visualización en 3D del mapa permite una comprensión detallada del recorrido del vuelo y de las áreas restringidas o prohibidas.

Es crucial entender que el sistema U-FLY no solo facilita la supervisión de los UAVs en tiempo real, sino que también optimiza la seguridad de las misiones al integrar tecnologías que permiten la detección y mitigación de riesgos en el espacio aéreo. La capacidad de evaluar y ajustar dinámicamente las trayectorias de vuelo según las condiciones cambiantes, los riesgos geográficos y el comportamiento del tráfico aéreo es fundamental para el éxito de las operaciones con UAVs en entornos complejos.