Análisis de misión de vehículos no tripulados con enfoque de sistemas y los ecosistemas de innovación

Mtro. Rafael Trujillo Torres y Lic. Alberto García Gálvez

Fecha: 2017-03-01


 Los sistemas no tripulados han tomado importancia en diferentes áreas del sistema productivo de nuestra sociedad considerándolos no solo un pasatiempo sino una herramienta que le puede agregar valor al trabajo profesional en diferentes ámbitos, dos de ellos muy importantes el levantamiento de terrenos para información catastral y la agricultura de precisión, en esta ponencia se enfoca a tratar los temas relevantes y dejar a lado las trivialidades que no agregan valor al desarrollo de este tipo de sistemas. 

 

 Objetivo: Presentar el desarrollo de la aeronave UAS y el planteamiento de los problemas de diseño a nivel sistema. 

 

Entender que es un UAS

 

Un UAS es aquel sistema compuesto por uno o más vehículos aéreos no tripulados UAV y todos aquellos elementos necesarios para su operación (sistema de control, comunicaciones, medios de lanzamiento, recuperación, elementos de transporte, etc) y equipos de apoyo asociados. Genéricamente los UAS están compuestos por un segmento aéreo y otro terreno. 

Aeronave sin piloto(UAV), vehículo propulsado que no dispone de operador humano, que puede operarse de forma autónoma o por control remoto, que puede ser recuperable y que puede llevar una carga letal o no letal. 

 Puede generar fuerzas aerodinámicas en vuelo 

 No hay piloto abordo 

 Son reutilizables o recuperables. 

 Pueden volar por control remoto o tener un grado de autonomía. 

 Pueden embarcar cargas útiles 

 Cuenta con sistema de propulsión propio. 

 

Componentes 

Los componentes de un UAS se describen a continuación en la tabla 1-1(fuente 1) 

 

 

 

 Los componentes de un UAV se describen a continuación: 

 

 

 

 

Enfoque de misión: 

El enfoque de la misión es muy importante así como comprender el objetivo del aparto, Un sistema aéreo en general es un sistema enfocado en una misión en especifica dado que una aeronave en si tiene que ser lo más ligera posible en todos sus componentes y aprovechar cada espacio disponible dentro de ella, debemos descartar sistemas o componentes que no aporten valor a esta. 

La tendencia en la operación de estos aparatos es adaptar aeronaves a las misiones, montando cámaras o dispositivos que cumplen la misión pero sin la efectividad adecuada. 

La aeronave expuesta está enfocada en el levantamiento de terreno por ortofotomapas. 

Planteamiento del problema: 

En el comienzo del estudio de mercado, nos dimos cuenta que las empresas o aficionados adaptaban este tipo de sistemas para misiones de levantamiento de terrenos, sin embargo adaptaban una aeronave que de uso recreativo o en el mejor de los casos de fotografía o paisajismo profesional. Posteriormente el operario daba tratamiento a las imágenes con un software de procesamiento de imágenes, algunas veces con resultados pobres en el resultado de la calidad del mapa, ocasionando así que el operario regresara nuevamente al área y repitiera así el trabajo. Descubrimos que teníamos frente a nosotros los siguientes problemas: 

 tiempo de vuelo de la aeronave 

 cámara muy pesada o ligera pero inadecuada para la tarea 

 sincronía entre GPS y la foto 

 Estación terrena 

 Legislación 

 Problemas de importaciones 

 

Análisis del estado de la tecnología. 

Usualmente por practicidad se utilizan multi-rotores, teniendo como principal problema el consumo energético demanda por los motores para generar la sustentación. 

Las cámaras utilizadas eran pesadas y poco prácticas para adaptarse dentro de un fuselaje. 

Las cámaras usadas solo almacenaban la información del sensor óptico pero no el dato de la posición la fotografía. 

La gente confiaba poco en los pilotos automáticos y optaban por controlar a “mano” y visual la aeronave. 

Usualmente el operario necesitaba tener un paquete de baterías cargadas en el sitio de la operación, era usual que el operario llevara un paquete de 4 baterías lo que daba como resultado una autonomía de 45 minutos. 

Algunos consideraban ya una ventaja que por lo menos dos personas se dedicaran a levantar un terreno y no un equipo de cuatro personas como regularmente se levanta un terreno. 

El reto del equipo de trabajo era mejorar los tiempos de operación y en generar el mapa en menor tiempo. 

En un inicio un multirotor es práctico desde el punto de vista operacional por que puede despegar en casi cualquier zona pero el consumo energético es alto. 

Las aeronaves de ala fija analizadas por los operarios decían que fusionaban bien pero el principal problema era el mantenimiento de la aeronave dado que el país de origen de las aeronaves es comúnmente europeo. 

 

Contradicciones de Diseño. 

Una contradicción se produce cuando dos mutuamente excluyentes requisitos de diseño se colocan en el mismo objeto o sistema. 

Las contradicciones encontradas dentro del análisis del problema fueron: 

Tiempo de vuelo mayor pero menor peso. 

Mejor calidad en la imagen – menor número de sistemas. 

Aeronave ligera – material resistente. 

 

 

Desarrollo del proyecto 

Madurez tecnológica 

Citando los diferentes niveles de madurez tecnológica o TRL por sus siglas en ingles tenemos: 

TRL 1: Principios básicos observados y reportados. 

TRL 2: Concepto y/o aplicación tecnológica formulada. 

TRL 3: Función crítica analítica y experimental y/o prueba de concepto característica. 

TRL 4: Validación de componente y/o disposición de los mismos en entorno de laboratorio. 

TRL 5: Validación de componente y/o disposición de los mismos en un entorno relevante. 

TRL 6: Modelo de sistema o subsistema o demostración de prototipo en un entorno relevante 

TRL 7: Demostración de sistema o prototipo en un entorno real. 

TRL 8: Sistema completo y certificado a través de pruebas y demostraciones. 

TRL 9: Sistema probado con éxito en entorno real 

Dado que el sistema se derivan otros subsistemas decidimos cuál de todos tendrían que estar en su diferente madurez tecnológica, siendo así que el equipo de trabajo no podía abordar todos los sistemas desde el principio básico dado que el tiempo de desarrollo tendría que ser bastante alto, la siguiente tabla enuncia el grado de madurez tecnológica abordado por cada uno de los subsistema de la aeronave: 

 

 

Planteamiento del problema 

La aeronave resultante tendría que ser una aeronave ligera y resistente con capacidad de vuelo de 45 minutos un despliegue fácil y un despegue así mismo fácil que no requiriera de pista, un sistema de control de “lazar y olvidar” capaz de realizar el vuelo sin que demandara destreza elevada por parte del operario, fácil mantenimiento y piezas disponibles como refacciones en poco tiempo. Así mismo el sensor óptico tendría que ser capaz de guarda la información de localización en coordenadas como en altitud de vuelo. 

 

Análisis de experimentos a nivel laboratorio. 

El análisis de los componentes aerodinámicos de la aeronave se hizo en ucrania con ayuda del Dr. Vitaly Zhmovzh, se analizaron un total de 22 alas diferentes en la primera iteración de diseño y 25 en la segunda iteración de diseño. Estas pruebas de túnel de viento nos ayudaron a validar en primera instancia el concepto de la aeronave así como la capacidad de carga, desplomes y control longitudinal de la aeronave. 

 

Simulaciones en ambientes 

Se construyeron diferentes aeronaves con tres diferentes propuestas de fuselajes y dos diferentes propuestas de alas, con ello pudimos comprobar la capacidad de carga de la aeronave comportamiento en desplomes, seguimiento de trayectorias así como probar a diferentes velocidades de viento en el ambiente. 

 

Se construyó una aeronave experimental para probar el sistema de control que en sus inicios estaba compuesto de un Arduino mega con estos experimentos logramos comprobar la capacidad de sostener las trayectorias. 

 

Posteriormente se integró el procesador AT mega a una placa impresa con todos los componentes necesarios para el funcionamiento del autopiloto. 

 

Se llevaron a cabo diferentes iteraciones de materiales para probar su resistencia en operación, en este tipo de experimentos de materiales compuestos se controlaba la temperatura la presión y el tiempo de curado. 

 

Simulación de misión. 

 

La simulación de rendimiento se llevó a cabo en agosto del 2016 teniendo un vuelo de 56 minutos a una altura sobre nivel del mar de 1,600 mts, ráfagas de viento de no más 5 m/s. 

La simulación con cámara se llevó a cabo en septiembre del 2016 donde comprobamos la coordinación de la cámara con el vuelo. 

La simulación de misión real se llevó a cabo en noviembre del 2016 donde la aeronave voló 25 minutos donde sobrevoló 60 hectáreas a 100 metros sobre el nivel de terreno y mapeó un total de 140 hectáreas. 

 

Resultados. 

El diseño de la aeronave cumple con los requerimos de misión el Peso final de la aeronave es de 4.5 Kg. Con lo cual lo hace factible que se despegue a mano, la composición de las piezas es de material compuesto rediciendo el peso y aumentado la resistencia, con la desventaja que el proceso de manufactura tiene que ser estrictamente controlado para obtener estas propiedades, la aeronave puede cargar con un sensor óptico de 400 grs que cumple con las especificaciones de no solo tomar la foto sino almacenar los datos de posición y altitud de la aeronave, así mismo para hacer más preciso el dato se usarían estaciones terrenas o RTks que últimamente el mercado ofrece muchas opciones. La coordinación del autopiloto y los radios de giro no fue posible sino hasta añadir mayor superficie de control al timón de dirección de la aeronave con lo cual nos reducía los radios de giro, la programación del autopiloto tiene que estar coordinada con los vientos en el momento de la operación para un mejor trazo de la ruta, el tiempo de manufactura de una aeronave a nivel prototipo es de dos semanas. 

 

Conclusiones 

Las pruebas a nivel simulación de misión nos sirvieron como retroalimentación en la parte operativa de la aeronave, se depuro la trayectoria de vuelo de la aeronave para un vuelo más eficiente y el peso de la aeronave se reducía con la construcción de una nueva aeronave en total se construyeron 6 aeronaves experimentales. El uso práctico de este tipo de configuraciones tiene mucho potencial para misiones como Levantamiento de terrenos para agricultura de precisión, así mismo para uso con fines catastrales en zonas, rurales como urbanas estas últimas que dispongan de un área similar a un campo de futbol para del despegue y aterrizaje de la aeronave. 

Por: Mrto. Rafael Trujilo 

 

Bibliografía: 

De los UAVs a los RPAS; IDS ; Carlos Calvo González, Francisco Herranz, Pedro Calvo Aguilar. 

Niveles de maduración tecnológica; Juan Manuel Ibáñez. 

“Los ecosistemas de innovación” 

Estimado lector, antes de continuar quiero agradeceré el tiempo que le toma leer estas líneas; que tiene como único objetivo compartir experiencias que se han acumulado a lo largo de casi un año, y poder colocar sobre la mesa de debate la importancia de un tema que actualmente está revolucionando el mundo; “Innovación”. Como lo dijo Víctor Hugo: 

"Lo que conduce y arrastra al mundo no son las máquinas, sino las ideas" 

Por ello me gustaría llevar el tema a una lluvia de propuestas e ideas donde podamos reflexionar y analizar si es necesario replantear el tema de innovación en México, pero sobre todo poder acelerar el desarrollo de tecnología aeroespacial en nuestro país. Sin embargo para efectos argumentativos me gustaría dejar la definición del Manual de Oslo OECD (Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico) que define la innovación como "la introducción de un nuevo, o significante mejorado producto (bien o servicio), de un proceso, de un nuevo método de comercialización u organizativo, en las prácticas internas de la empresa, la organización del lugar de trabajo o las relaciones exteriores". Después de haber sido la primera empresa start up Mexicana especializada en el diseño y manufactura de vehículos aéreos no tripulados y en formar parte del programa de innovación entre el Consulado de México en Boston y el Gobierno de Boston MA, de haber hecho una estancia de trabajo en Cambriegde Innovation Center donde se concentran más de 300 compañías Start-ups procedentes de diferentes países y en Massachusetts Institute of Tecnology (MIT), visitar y conocer algunas de las aceleradoras e incubadoras de negocios más importantes del mundo; Masschallenge y Greentownlabs, recibir couchching de parte de CEO´S, investigadores de Harvard, Universidad de Boston, MIT ,Yale e iniciar una línea de investigación acerca de los modelos disruptivos en la industria aeroespacial así como de ser parte de la revolución tecnológica que se está gestando, es un gusto poder compartir con todos ustedes estas vivencias. 

A raíz de observar de cerca como la tecnología aeroespacial se encuentra revolucionando ciertas industrias como la: espacial, seguridad nacional y publica, agricultura, geografía, cartografía, retail, entre otras; Es importante que toquemos el tema de innovación en la industria aeroespacial como una opción de desarrollo, crecimiento económico y sustentabilidad para nuestro país, en este artículo pretendo hablar de propuestas que permitan construir realmente un ecosistema de innovación a largo plazo que sea viable para todos los jóvenes emprendedores de México. 

Vivimos en una revolución tecnológica que se gesta y cambia día a día con el avance y descubrimientos dentro de nuevas y diversas industrias como: Impresión "3D", Realidad aumentada, E commerce, Biotecnología, Nanotecnolgia, Robótica, Inteligencia Artificial, Sustentabilidad, Retail entre muchas otras que aún no ven la luz pública pero que tuve la oportunidad de observar en los centros de investigación del MIT. 

De ahí la importancia del tema y acciones o métodos que se aplican actualmente en nuestros sistema de innovación que nos permitan generar compañías startups altamente competitivas, productos o servicios innovadores que formen parte de la revolución que estamos viviendo. 

Cabe mencionar que un punto muy importante para generar innovación es el acceso a fondos de financiamiento público y privados contacto con mentores, instituciones educativas, gubernamentales, investigadores y centros de investigación donde los emprendedores puedan tener un punto de reunión donde se pueda expresar ideas para generar diferentes puntos de vista en la solución de problemas, escuchar consejos, recibir retroalimentación en sus proyectos; pero sobre todo donde puedan poner en práctica y ejecutar las ideas que provoquen cambios disruptivos directamente en la resolución de problemas científicos, sociales o de medio ambiente. 

Durante un poco más de un año 2015-2016 he tenido la oportunidad de observar de cerca los modelos de innovación y procedimientos que se aplican en las ciudades, donde se está gestando parte de la revolución tecnológica del mundo, estas ciudades como: Boston MA; Londres, Reino Unido; Dublín en Irlanda; Kiev y Jarcok en Ucrania cuentan con algo en común dentro de sus sistemas de innovación, son simples, concretos, dinámicos, se enfocan en la resolución de problemas de gran impacto en la sociedad. 

Aunado a una gran colaboración conjunta entre universidades, estudiantes, investigadores, empresas y gobiernos locales que se enfocan en ayudar, facilitar trámites y recursos para apoyar a todas las ideas con potencial y mejorar la calidad de vida de su comunidad. 

Estos autores se enfocan en ayudarse mutuamente para lograr objetivos concretos que se ven reflejados en compañías innovadoras donde las ideas, investigación y tecnología se materializan en la elaboración de productos o servicios que aportan gran valor a la sociedad. 

Es ahí donde me detengo a cuestionar nuestros modelos existentes de innovación en México, con el ánimo de aportar soluciones y propuestas que nos ayuden a mejorar lo que ya tenemos, o tener la posibilidad de iniciar algo nuevo pero eficiente, ¡porque es un hecho que vivimos una revolución tecnológica! que está cambiando la forma en la que vivimos, la manera de comunicarnos, de aprender, en pocas palabras; estamos evolucionando en nuestro estilo de vida gracias a la tecnología y tendencias. 

Este contexto me lleva a la siguiente pregunta: ¿México está listo para ser parte de esta revolución tecnológica? ¿Estamos listos para ser líderes y protagonistas en la industria aeroespacial? ¿Tenemos las herramientas necesarias que ayuden a potencializar el talento que tenemos en el país? ¿Estamos listos para ser actores de esta revolución? o ¿sólo observadores? Después de encontrarme y trabajar con grandes mentes mexicanas que se encuentran en las mejores organizaciones del mundo como la NASA, MIT y Harvard, me lleva a preguntarme ¿todo ese gran talento y mentes que florecen fuera de México podríamos aprovecharlas para generar mecanismos de innovación? 

Aunque también cuestiono ¿será posible que algún día podremos construir grandes organizaciones como las anteriormente citadas? saben algo ¡yo creo que sí!, estoy seguro que podemos llegar a ser un gran actor en esta revolución porque de talento y mentes brillantes mexicanas se encuentran llenas nuestras universidades, sólo hace falta construir los mecanismos y sistemas que nos permitan realmente generar y ser parte de ese cambio. 

Mexicanos brillantes se encuentran fuera de nuestro país innovando para otras instituciones del mundo, ayudando a otros países, a empresas a ser pioneras mundiales en ciencia y tecnología, mentes mexicanas creando la revolución tecnológica que vivimos hoy en día, pero ¡bajo otras banderas!, lo que me lleva a otra pregunta ¿será motivo de orgullo o de tristeza observar como todos esos grandes talentos se van de México? Aún no encuentro una respuesta; sin embargo, considero que es tiempo de replanteamos las estrategias y objetivos que se tiene hoy en día en nuestro país para ser parte de estos grandes cambios que están revolucionando a la humanidad. 

El presente tema es muy amplio y apasionante con estas líneas sólo alcanzamos a mencionar las generalidades del concepto; sin embargo, el objetivo con estas preguntas es generar lluvia de ideas para iniciar un debate y diálogo donde podamos proponer un modelo concreto y contundente para unirnos en una sola visión que consista en llevar a México, sus instituciones, empresas y talentos a ser actores principales y líderes de esta revolución tecnológica. 

Quiero concluir esta opinión diciendo que después de observar el primer mundo estoy seguro que nuestro país tiene grandes oportunidades para ser líder en este movimiento: contamos con el capital humano en las escuelas, contamos con la infraestructura necesaria, centros de investigación, empresas, mentores, profesores, investigadores y grandes empresarios que aporten experiencias y consejos a todos y cada uno de los interesados en querer ser parte de este movimiento. 

Si logramos trabajar conjuntamente entre start ups , profesionistas, mentores, investigadores, instituciones y gobierno podremos alcanzar el máximo potencial de nuestro país en temas de innovación, generar valor, crear nuevas patentes, productos y servicios que cambien al mundo y al mismo tiempo podremos generar desarrollo tecnológico, crecimiento económico que harán que nuestro país sea un mejor lugar para vivir. Iniciemos el movimiento de ideas, generemos propuestas pero sobre todo actuemos para ser protagonistas y no sólo observadores, quedo a sus órdenes. 

¡Un futuro nos espera! lleguemos con las propuestas materializadas sobre la mesa. 

Sobre los Autores 

Mtro. Rafael Trujillo Torres: ha participado en diferentes tipos de proyecto de aeronaves Radiocontroladas y no tripuladas incluyendo el diseño de aeronaves de carga para las competencias SAE Aerodesing , así como la formulación de Estudios de Dinámica de vuelo para aeronaves sin cola o alas voladoras, ha colaborado en proyecto aeronáuticos en la formulación y planeación, ha hecho estudios en la Universidad de XAI en Ucrania y participado en la experimentos de Túnel de viento coordinadas por la misma universidad, cuenta con 6 años de experiencia en la investigación y desarrollo de Unidades Aéreas no Tripuladas, Actualmente desempeña el cargo de director de proyecto para una aeronave no tripulada para uso en agricultura de precisión e ingeniero en la subdirección de industria aeronáutica militar, es Co-fundador y CEO de MAVA Technologies empresa especializada en el desarrollo de tecnología aeroespacial. 

Lic. Alberto García Galvez Egresado del Instituto Politécnico Nacional con Especialidad y Diploma en Marketing por Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), Diploma y Certificado en 

Marketing Digital por la Universidad Austin Texas (2015), en el año 2015 realizó una Estancia Académica y de Trabajo en el programa de Innovación entre el Consulado de México en Boston y el Gobierno de Boston MA, realizando su estancia en Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y Cambridge Innovation Center (CIC) en los meses de Noviembre-Diciembre del 2015, fue participante en el programa de Google para emprendedores en Dublín Irlanda Febrero a Agosto 2016 en ese mismo año realizó e inicio una línea de investigación acerca de los modelos de innovación en las ciudades de: Boston MA, Berlín , Londres, Járkov, y Dublín donde fue la ciudad base, cuenta con Diplomado en Negocios Internacionales, Logística y Transporte Internacional, 6 años de experiencia en el desarrollo de marcas y nuevos productos, 2 años como Docente en la licenciatura de Marketing y Administración en la Universidad Interamericana; fue Jurado en la Feria Nacional de Innovación Tecnología 2015, organizado por el Tecnológico Nacional de México; es Co fundador y VP de Marketing y Nuevos Negocios de Mava Technologies empresa especializada en el desarrollo de tecnología aeroespacial donde actualmente es Vicepresidente de Marketing y Desarrollo de Nuevos Negocios, funge como Mentor en Start Up México así como Consultor en temas de modelos de negocios StarUp y Disruptivos.. 

 



Etiquetas: Vehículos no tripulados,UAV,UAS,

Revista Hacia El Espacio de divulgación de la ciencia y tecnología espacial de la Agencia Espacial Mexicana.




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