3. Características de las aeronaves aéreas no tripuladas a control remoto para su aplicación en la ingeniería.
3.1. Resumen
En esta sección se repasan los orígenes de las modernas plataformas aéreas que reinan nuestros cielos, haciendo una mirada desde los primeros cometas y globos aerostáticos con breves apuntes de los sucesos que mejor marcaron el desarrollo de los drones hasta hoy. Siguiendo por una explicación y aclaración de conceptos entorno a los nombres recibidos por estas plataformas aéreas, su clasificación y tipos de drones que se pueden encontrar, así como los elementos y dispositivos que forman el RPAS. En la sección de directrices para operar RPAS con seguridad, se darán unas especificaciones a cumplir siempre, independientemente del escenario y operación a realizar. Se mostrarán los aspectos más importantes del sistema y serán discutidos nuevos avances en RPAS, así como una muestra de los drones más avanzados con especificaciones concretas para cada escenario.
3.2. Introducción
3.3. Origen del RPAS moderno y sus aplicaciones a lo largo de la historia.
No son pocos los investigadores y científicos diversos que consideran a los globos aerostáticos y los cometas de antaño como las primeros artefactos aéreos no tripulados. Esto se debe a las semejanzas que mantenían con los métodos de aerodinámica sostenida y con, aunque todavía precarios, control del artefacto.
La idea por la cual, aplicando el Principio de flotabilidad de Arquímedes se podía conseguir flotabilidad en el aire, fue desarrollada por el sacerdote jesuita italiano Francesco de Lana, un hombre que dedicó su vida a la física y a las matemáticas, considerado un pionero en el campo de la aeronáutica. En su libro impreso y publicado en 1670 se decía que de fabricarse una esfera de cobre lo suficientemente plana, ligera y resistente con un diámetro determinado en 7,5 metros, al crearse el vacío en el interior de las esferas se tornarían más livianas que el aire circundante y flotarían. No obstante, su diseño nunca se construyó dada la dificultad de fabricar un cobre con ésas características y además, de ser tan fino el cobre nunca hubiera podido aguantar la presión del aire.
Fig. 1. Concepto del barco volador de Francesco de Lana, 1670.
Años más tarde, se produjo un descubrimiento que lo favorecería las corrientes más innovadoras en esta rama. El científico británico Henry Cavendish, conocido por el experimento Cavendish 1, el descubrimiento de la composición molecular del agua y también por el descubrimiento del gas hidrógeno, en 1766. No obstante, los globos se continuaron llenando de aire caliente que ya por entonces, y gracias también a los estudios del sacerdote brasileño Bartolomeu Lourenço de Gusmão, se conocían las propiedades para modificar las corrientes de aire.
No fue hasta el año 1783 en los alrededores de París, cuando experimentos y ensayos dieron con el material adecuado para sustentar un globo con gas hidrógeno a gran altura y, no fue hasta setenta años más tarde que se logró desarrollar un sistema de propulsión para dirigir el globo 30. La limitación del uso del aire caliente para elevar globos se traducía en que el globo era forzado a descender cuando el aire en el globo se enfriaba y, además, si se mantenía un fuego ardiente para calentar el aire del globo contantemente, era probable que la llama llegase a la bolsa y la incendiara. No obstante, la naturaleza explosiva del hidrógeno no cobró importancia hasta años más tarde. Los experimentos se sucedieron paralelamente a ambos lados del Atlántico, se diseñaron nuevos modelos y se mejoraron otros. Durante todo este tiempo hubo grandes esfuerzos por entender mejor el funcionamiento de los globos de hidrógeno, dando origen a nuevas leyes físicas como la Ley de Charles en 1787, aunque publicada por Joseph Gay-Lussac. Fue así como se asentó un modelo estandarizado de globo aerostático que se mantendría así durante los siguientes 200 años.
Durante todo este tiempo, su aplicación se redujo esencialmente a lo militar, de priorización escasa para usos científicos dados los tiempos que transcurrían. Aunque no fue así siempre, desde sus inicios se emplearon para recopilar información meteorológica, tomando mediciones como presión de aire y fuerza del viento. El primer experimento científico se realizó en 1883, con el propósito de medir la velocidad del viento 31, Douglas Archibald adosó un anemómetro a un cometa. No fue hasta 1887 cuando se probó con cámaras. Las primeras sondas meteorológicas no tripuladas fueron enviadas en Francia en el año 1892. Los globos fueron equipados con instrumentos para el registro de presiones barométricas, temperatura y humedad y demás datos de la atmósfera superior. En 1912, el físico austríaco Víctor Franz Hess a bordo de un globo de hidrógeno equipado con aparatos de medición de radiación, alcanzó una altitud de 5,0 km, fue cuando descubrió que la radiación en las capas más altas de la superficie era más del doble de fuerte que en el suelo y así, se llegó a la conclusión de la existencia de los rayos cósmicos gracias al uso de globos aerostáticos.
Bien entrado el siglo XX los globos continuaron sirviendo para fines científicos. Fue en 1933, cuando los gemelos estadounidenses Auguste y Jean Piccard, elevaron un globo a una altura récord de 18,592 km. El globo incorporó dos instrumentos para medir el efecto de los rayos cósmicos, un telescopio, un polariscopio para estudiar la polarización de la luz a grandes altitudes, moscas de la fruta para estudiar posibles mutaciones genéticas y una cámara de rayos infrarrojos para estudiar la capa de ozono.
Fig. 2. Primer vuelo con el globo de los gemelos Piccard, en 1933.
Es indudable que las aplicaciones más belicistas de estos artefactos incentivaron el desarrollo de la tecnología aérea desde sus inicios. La clara obviedad ante las posibilidades que ofrecía el uso de estas aeronaves, ya predicha por el sacerdote jesuita en 1670, impulsó el avance hacía nuevos diseños para nuevas aplicaciones en el campo de batalla. A lo largo de la década de 1930, se vivió una oleada de interés militar por los vehículos controlados a distancia. Los precursores a los RPA modernos, es decir, los drones de hoy en día, fueron un suceso de artefactos de guerra no tripulados y dirigidos por control remoto, desarrollados antes y durante la II Guerra Mundial y, continuarían desarrollándose a lo largo de la Guerra Fría. Sus funciones podían ser tanto de bomba tele-dirigida como para la observación y reconocimiento del enemigo.
Fig. 3. Sistema de bombardeo aéreo Glide Bomb 1 de EE.UU, en 1943.
El GB-1 era un planeador que representó ser la primera arma guiada y monitorizada. Significó un gran avance tecnológico pero de nuevo demostró las deficiencias tecnológicas del momento, ya que la imagen solo era nítida cuando operaba en las mejores condiciones climatológicas. Una vez que el conflicto en Europa terminó, las tensiones de la post-guerra derivadas por la repartición del territorio desencadenó otro nuevo enfrentamiento a escala mundial, etiquetado con el nombre de Guerra Fría, conflicto por el cual se disputaba el área de influencia de dos sistemas políticos y económicos diferenciados. Esta etapa se caracterizó por acciones indirectas que desestabilizasen al otro, sin llegar a declararse abiertamente en guerra con el otro bando. En este periodo, los artefactos no tripulados fueron diseñados como una plataforma diseñada para la aéreo-vigilancia, con la misión de capturar datos de inteligencia en áreas de difícil acceso.
El hecho de que se dejaran de equipar estas aeronaves con bombas para equiparlas con instrumental para el espionaje, desarrolló nueva tecnología que se acabaría traduciendo en un mejor control y posicionamiento global de la aeronave. Del mismo modo, se diseñaron nuevas plataformas que incorporaban novedosos aparatos de medición y de precisión, algunos con capacidad de modificar la ruta en pleno vuelo. El inconveniente era la su carácter preconfigurado, incapaz de responder ante operaciones no predeterminadas y la imposibilidad del retorno a base. Gracias a las aportaciones realizadas por el genio y visionario Nikola Tesla en el campo de la transmisión por ondas de radio junto con demás inventos desarrollados a lo largo de la historia, por ejemplo el giroscopio, los sistemas RPA evolucionaron rápidamente hacia mejores y más precisas aeronaves pilotadas por control remoto. Sin embargo, ante las dificultades tecnológicas que representaba pilotar aeronaves de manera remota le siguió la fiebre de los misiles.
Debido al gran éxito en los ensayos con misiles las investigaciones en la industria de la aeronáutica se estancaron y de manera definitiva se redujeron a funciones de contraespionaje, toma de imágenes aéreas y uso científico, y en definitiva, limitadas a funciones que no requerían de sofisticadas técnicas de guiado ni gran precisión para el control de la aeronave.
Finalmente, fue en 1970 siguiendo las directrices de incrementar el alcance efectivo de las aeronaves no tripuladas, la industria y la ciencia se pusieron en marcha para desarrollar toda una generación de lo que ha acabado significando el RPA moderno. El programa consistió en financiar con dinero público a las compañías Boeing y Ryan para desarrollar aviones no tripulados con amplias capacidades de alcance. Así es como se sucedieron toda una serie de prototipos diferentes, inicialmente en Estados Unidos y posteriormente en Israel. Este tipo de aeronaves, a pesar de ser consideradas RPAS o UAV(S), del inglés Unmanned Aerial Vehicle (System), distan mucho en lo que a dimensiones se refiere para las inspecciones aéreas a las que se refiere este tomo, no obstante, refleja los avances paulatinos que se sucedieron, aunque todavía lejos de la última fase y más moderna de RPA. Durante los años 80 la tecnología RPA se consolida y se le identifica como una tecnología fiable y con gran potencial para poder llegar a suplir a un avión tripulado.
Con la aparición de los primeros sistemas operativos para la computación en la década de 1980, el desarrollo de programas se simplificó dando lugar a nuevos sistemas de control electrónico. La fecha determinante para el salto a la siguiente fase en el desarrollo de RPAS fue el atentado cometido contra el World Trade Center de Nueva York en 2001. Este hecho impulsó la industria de los RPAS y aumentó su presencia en las posteriores guerras en Próximo Oriente. Los RPAS se configuraron para cumplir con misiones a largas distancias y se caracterizaron por identificar y eliminar a personas de manera selectiva. Resulta relevante darse cuenta que una de las ventajas de los RPAS es la capacidad de reducir el riesgo a cero en operaciones de alto riesgo, ligado a su automatización. Paralelamente, se comenzó a desarrollar una industria para crear un prototipo de RPA más pequeño y maniobrable, los primeros prototipos eran capaces de transportar un sensor láser y cámara de vídeo.
No ha sido hasta nuestra última década que la tecnología RPAS no ha sido utilizada en aplicaciones civiles, en gran medida, debido a las dimensiones que representaban. En 2014, la compañía Amazon anunció su pretensión de realizar la entrega de paquetes por vía aérea a sus clientes, al mismo tiempo que numerosas empresas ya están apostando por nuevos métodos para el análisis de datos capturados a través de plataformas aéreas.
Fig. 4. Prototipo RPA para reparto de paquetería de Amazon
El número de sistemas RPA registrados en el registro de la Agencia Estatal de Seguridad Aérea se ha triplicado en la última década, y la tendencia sugiere que este número continuará creciendo. Se puede encontrar más información sobre el progreso y el desarrollo de nuevas tecnologías ( 1 ).
1 Experimento Cavendish o también conocido como la Balanza de torsión, permitió obtener la constante de gravitación universal G.
( 1 ) Victor D. Historia de los drones. .
3.4. Definición y métodos de clasificación de los RPAS
Las aeronaves modernas pilotadas por control remoto, también conocidas por sus siglas RPA, son fruto de toda una evolución que han tenido como gran precursor a su avance el carácter belicista que estos le han conferido y, que debido a sucesos clave en la historia y a un largo proceso de desarrollo lógico han acabado dando el salto en nuestra sociedad.
De forma paulatina pero constante se ha ido incrementando la presencia en nuestro día a día de estos tipos de artefactos mal llamados drone, por la prensa inglesa y, cuya traducción viene del inglés como zumbido o zángano ( 1 ), un apelativo que hace referencia al sonido de las hélices al girar. Existe un amplio catálogo de drones tanto aéreos como acuáticos capaces de ser operados de forma autónoma y remotamente 33, cubriéndose así el total del nicho de mercado profesional y de ocio.
La terminología genérica correcta para referirnos a estas aeronaves es con el acrónimo UAS 1 que incluye no sólo el vehículo aéreo sino también la estación de control en tierra, el enlace de las comunicaciones y cualquier otro dispositivo que tenga funciones dentro de la misma operación realizada. En la terminología UAS se engloban los RPAS 2, son otro subtipo de sistemas en el cual por definición su piloto siempre está controlando el sistema pero con la capacidad también de efectuar vuelos de manera automática a través de una trayectoria previamente programada, razón por la que los RPAS son una subcategoría de los UAS. No obstante, es frecuente el uso del término drone en medios de información dado su simplificación y la rápida expansión de dicho término en la sociedad civil.
Sin embargo, esto no hace distinción entre las diferentes clases de RPAs que se utilizan. Existen varios métodos de clasificación de UAVs utilizado en ciencias civiles y sin embargo no existe un procedimiento estándar para la clasificación de los RPAS ( 2 ). Unos se rigen por las directrices militares vigentes a diferentes escalas que los relacionan al tamaño, peso y altitud alcanzable por la aeronave, dividiendo las plataformas existentes en siete grupos distintos que van desde los UAVs muy pequeños tipo MAV 3 o nano, pasando por los UAVs medios tipo MALE*, hasta los UAVs grandes tipo HALE* ( 3 ). En los Estados Unidos, una reciente clasificación referidas a las misiones que pueden desempeñar los RPAs los clasifican en cuatro clases; pequeños, tácticos y de combate 31. Otra manera diferente para clasificar a los RPAs es dependiendo de si permiten su uso repetido o no. Los RPAs de un solo uso son empleados en ocasiones para misiones de combate, como un arma para atacar un objetivo concreto. De otro modo, existe una clasificación de los RPA dependiendo de la generación de sustentación y su arquitectura, siendo diferenciados como sistemas de rotor único, multirrotor, híbrido o de ala fija.
Fig. 1. Modelos de RPA distintos atendiendo a su arquitectura ( 5 ).
*VTOL: Despegue/aterrizaje vertical.
*MALE: Altitud media largo alcance.
*HALE: Altitud elevada largo alcance
El primer tipo usa unas alas estáticas fijas que combinadas con la velocidad del aire general la elevación suficiente, mientras que los multirrotores usan hélices rotatorias para generar sustentación. Sin embargo, y como ya se evidencia, no hay un estándar establecido, otros autores clasifican los RPAs por su rango de alcance y el grado de resistencia que presentan ( 4 ).
1 UAS. «Unmanned Aerial System». Sistema aéreo no tripulado.
2 RPAS. Remotely Piloted Aircraft System.
3 MAV. Micro Air Vehicles.
( 1 ) Botlink. What’s the difference between a drone, UAV and UAS? .
( 2 ) Abdullah QA. Classification of the Unmanned Aerial Systems n.d. .
( 3 ) Watts AC, Ambrosia VG, Hinkley EA. Unmanned aircraft systems in remote sensing and scientific research: classification and considerations of use. Remote Sens 2012;4:1671-92.
.
( 4 ) Trevor J, Weiler P. A new eye in the sky: Eco-drones. Env Dev 2013;7:155-64. .
( 5 ) Ministerio de Fomento, Gobierno de España. Plan Estratégico para el desarrollo del sector civil de los drones en España 2018-2021.
.
3.5. Tipos de aeronaves aéreas no tripuladas
La elección del modelo de RPA determinará sin duda el tipo de carga de pago que podrá transportar, entiéndase carga de pago como todo tipo de instrumental adosado al RPA, cámaras, sensores o baterías. Priorizando la estabilidad de la aeronave para garantizar imágenes nítidas y con precisión suficiente. Razón por la que los sistemas multicóptero se han erigido como las aeronaves más apropiadas para aplicaciones específicas que requieran gran estabilidad.
Es capital el conocimiento de las limitaciones que incumben cada modelo de RPA. Por ejemplo, en algunos modelos de RPAs no están preparados para transportar más de una cámara al mismo tiempo, del mismo modo que pueden encontrarse modelos en los que el gimbal no sea intercambiable, por lo que la cámara tampoco lo será.
Fig. 2. Modelo cuadricóptero DJI Phantom 4 Pro con gimbal único y cámara de 20 megapíxels de 1 pulgada capaz de grabar video a 4k. Incorpora sensores de detección de obstáculos, Sense ; Avoid System.G
Como consecuencia, si se intentara equipar con más instrumentos de los que el propio RPA es capaz de transportar, según su MTOW, dada la inestabilidad que supondría acoplar los dos tipos de sensores se excedería al MTOW de la aeronave. La solución pasa por realizar dos vuelos, cada uno con la cámara correspondiente. El resultado es un incremento en el tiempo de inspección y menor eficiencia en el desarrollo de la operación.
Aunque los precios de los RPAS se han abaratado considerablemente en los últimos años, en gran medida, gracias al avance de la tecnología, los precios de estas aeronaves para su aplicación en procesos de inspección y documentación pueden variar sobradamente dependiendo de las características y funciones que pueda desarrollar.
Las características que limitan especialmente el vuelo del RPA se definen en el peso de la aeronave así como de su MTOW 1, el modelo de la aeronave, número de motores y las características intrínsecas del tipo de fuente de donde se obtiene la energía. Es preciso el conocimiento del efecto que producen todos estos aspectos sobre el RPA. Por otro lado, debe garantizarse que los diferentes sensores acoplados a la aeronave sean completamente compatibles. A menudo aparecen dispositivos en el mercado de segundas marcas 2 que no se ajustan al formato del RPA, por ejemplo ocurre que no todos los gimbal están adaptados para equiparse en todas las aeronaves. Algunos fabricantes de RPA junto con fabricantes de cámaras realizan colaboraciones puntuales para lanzar al mercado plataformas aéreas con la combinación de ambas tecnologías ( 1 ), evitando así los inconvenientes para la integración de productos de diferentes fabricantes.
Fig. 2. Modelo cuadricóptero DJI Matrice 210 RTK Industrial Drone incorpora tecnología de la casa Flir aportando un sistema de doble gimbal y cámaras para fotogrametría y mapeo de terrenos. Emisora y pantalla de monitorización de la aeronave.
En general, no existe un único modelo estándar por el cual desarrollar las inspecciones aéreas. Los parámetros relativos a la distancia de inspección depende, de manera definitiva y definitoria, del tipo de lente que se emplee en la cámara visual o infrarroja, indistintamente. Para mayor garantía, será imprescindible realizar un Plan de Operaciones en el que se detalle un plan de vuelo, el rango de altitud en el que operará durante la inspección, así como el tipo de instrumental, cámaras o sensores que deberá incorporar el RPA para su misión.
1 MTOW, «Maximum Take-Off Weight». Masa máxima al despegue.
2 Segundas marcas. Táctica empresarial para acaparar segmentos de mercado generalmente inferiores, con productos más económicos.
( 1 ) Matrice DJI, 200 Series: Increased Aerial Efficiency 2017. .
3.6. Directrices para operar RPAS con seguridad
Las condiciones para realizar una inspección eficaz, cualquiera que sea su escenario, han de ser las necesarias para garantizar la completa seguridad hacía los propios operadores, pero también a terceras personas al tiempo que se obtienen datos de calidad. Para este fin, serán asignados en las operaciones profesionales un mínimo de dos operadores (O1; O2) con amplios conocimientos y completas aptitudes para operar con RPAS en las operaciones profesionales cuando se proceda en distancias inferiores a los 500 metros de la naturaleza del estudio. Los pilotos dispondrán de dos emisoras (E1; E2), que permiten dirigir y gobernar tanto la aeronave como la cámara desde la distancia usando una frecuencia de 2.4 Ghz, y dos pantallas digitales (P1; P2) donde se mostrarán las imágenes captadas por las cámaras. En P1 se muestra la señal que envía la cámara visual RGB y del sistema de telemetría y OSD mientras que P2 reproduce la imagen térmica de la cámara infrarroja. La emisora E1 que controla y gobierna el RPA es operada por O1, por otro lado, E2 que controla el gimbal es maniobrado por O2.
Fig. 3. Modelo de hexacóptero Yuneek Typhoon H520. Permite el vuelo con operador de cámara y piloto de RPA. Para ello es necesario dos emisoras Yuneek ST16S y tener el firmware actualizado.
Este método de inspección permite a O2 realizar mejores enfoques y posicionar la cámara en el instante deseado mientras que O1 únicamente se centra en el posicionamiento de la aeronave, asegurando la imposibilidad de impacto o corrigiendo la distancia entre el RPA y el objeto medido. Todo este proceso es posible gracias a una única controladora de vuelo incorporada en el RPA que a su vez va alimentada a la fuente de energía de la batería. La controladora recoge la señal de los receptores (R1; R2) transmitidas a 2.4 Ghz por E1 y E2, recopila datos de telemetría OSD, posicionamiento GPS y demás dispositivos como pueden ser sensores de captación de imagen de imagen. Los datos los procesa y los traduce en señales que envía a los diferentes emisores (EMI1; EMI2) que a su vez se transformarán en imágenes en las pantallas (P1 y P2, respectivamente) ( 1 ). Con esta información, el piloto conoce dónde y cómo está el drone en todo momento, con las imágenes reales y la información telemétrica.
En algunas ocasiones se puede encontrar un RPA con dos baterías instaladas, una para alimentar los motores y los componentes del RPA, tal como la controladora, el GPS y el OSD, y la otra batería para alimentar las cámaras y otros componentes como los transmisores.
( 1 ) ToDrone. Cuáles son los componentes básicos de un dron – infografía. .
3.7. Elementos y dispositivos que componen el RPAS
Las consecuencias de la rápida propagación de los RPAS y del continuo desarrollo que desencadena, a lo largo de estos últimos años, se traduce en una amplia y diferenciada variedad de plataformas aéreas en el mercado. Si bien es cierto, existe abundante información sobre los aspectos concernientes a las expectativas y posibilidades de los RPAS, así como regulaciones y características propias que lo conforman, sin embargo, hay una falta de conocimiento técnico sobre las características tecnológicas más importantes de los RPA y el método para sus aplicaciones en el campo de las inspecciones.
Aunque su característica más destacable es la posibilidad de realizar fotografía y vídeo de calidad en altura, estos dispositivos han adquirido la versatilidad suficiente para adaptarse a cualquier entorno sin importar el escenario. Las grandes empresas comienzan a incorporarlos a sus procesos internos. La revolución tecnológica y la nanotecnología ha permitido abaratar y reducir considerablemente el dimensionado de elementos como la transmisión, sistemas de posicionamiento GPS así como de sensores que permiten al RPA evitar colisionar contra otro objeto o incluso con otra misma aeronave. En el aire, el RPA está equipado con numerosos componentes con funciones diferentes que serán explicadas a continuación.
Fig. 1. Esbozo de un RPA cuadricóptero equipado con cámara.
A continuación se detallan los elementos que un RPA engloba, haciendo un pequeño análisis en cada dispositivo:
1. Chasis: Estructura la cual sujeta y mantiene conectados todos los componentes del RPA, es la estructura central. Al mismo tiempo, el tren de aterrizaje está adosado en la parte inferior del chasis, tal y como se puede apreciar en la Fig. 1. El tamaño del chasis va a depender de la distancia entre ejes y el número de rotores. Sus formas pueden variar y el material el cual está hecho se adecuará a las necesidades.
El chasis o frame pueden ser de :
a) Fibra de carbono: Es el material de mayor resistencia y perceptiblemente más pesado. No interfiere con las telecomunicaciones sin embargo es aconsejable direccionar las antenas de los receptores y video al exterior. Es el material más costoso. Muy utilizado en RPA de úso profesional y de competición.
b) Fibra de vidrio : Material de alta resistencia al impacto y más liviano, características muy valoradas entre los Operadores de RPA, puesto que a menor peso significa mayor tiempo de vuelo, debido a un menor gasto de energía de las baterías. Permite alcanzar altas velocidades, razón por la que en competición es un material muy valorado por los pilotos de carreras.
c) Plástico: Es el material más utilizado para los RPA de iniciación y tambien el más barato.
Como ya se ha mencionado anteriormente, las condiciones de estabilidad y sustentación de la aeronave han de ser las idóneas. Los RPA pueden ser de rotor único, multirrotor, de ala fija o híbrido. De entre el amplio rango de opciones, los más convencionales para operaciones técnicas de inspección por su despegue vertical son los sistemas multicópteros, también conocidos como multirrotor, según lo cual están formados por más de dos rotores. Al ser sistemas aéreos más estables también hace más fácil su control, lo cual lo hace más atractivo si cabe para pilotos noveles y aficionados 39.
El concepto de los sistemas multirrotor se basa en lo que conocemos del sistema de hélice rotatoria usada en los helicópteros 34, con la diferencia de que los multicópteros se sustentan gracias a su número total de rotores 46, esto quiere decir que pueden ser de tres, cuatro, seis u ocho rotores, tricóptero, cuadricóptero, hexacóptero y octocóptero, respectivamente ( 1 ).
Fig. 2. a) Chasis de un cuadricóptero. b) Chasis de un hexacóptero.
El número total de rotores lo dictará el MTOW total que es capaz de transportar la aeronave. En caso de exceder del peso que se determina para el vuelo, existen serios riesgos de que esto afecte a la altura de vuelo, y del mismo modo puede reducir drásticamente el tiempo de vuelo, la seguridad en el aterrizaje y perjudicar la estabilidad durante el vuelo. Esto es especialmente importante en esta aplicación ya que la aeronave tendrá que transportar cámara termográfica y digital, además de otros sensores de telemetría.
Comúnmente, estas aeronaves usan al menos cuatro rotores para poder mantener la estabilidad y lograr un vuelo armonioso y estable 34, así que los tricópteros no son demasiado utilizados. En general, el multicóptero más popular en el mercado son los cuadricópteros 47 ya que tienen más potencia de empuje y de sustentación que los tricópteros, permiten el transporte de cargas de pago aún más pesadas sin incrementar significativamente el coste de fabricación, y son extremadamente maniobrables. En todo caso, los cuadricópteros son menos potentes que los hexacópteros u octocópteros, los cuales transportan cámaras más complejas y pesadas, accesorios y sensores incorporados y tienen gran velocidad y elevación. Los hexacópteros son más seguros que los cuadricópteros, permitiendo un aterrizaje seguro incluso en caso de fallo repentino de un rotor y los octocópteros permiten aterrizajes con seguridad incluso con la pérdida de dos a tres rotores. Como resultado se obtiene que con un incremento en el total de rotores y de hélices, mejora el control y la estabilidad de la aeronave y menos sufre las inclemencias de viento o la lluvia ( 2 ). No obstante, este incremento se traduce en una aeronave más grande y de costosa adquisición con un ciclo de vida útil de las baterías más reducido.
2. Estabilizador, Gimbal : Plataforma con sensores para estabilizar las imágenes obtenidas a través de la cámara y minimizar los movimientos no deseados que perjudican la imagen. Ayuda a fijar el objetivo gracias a unos sensores de posición y orientación llamados giroscópios y acelerómetros. Sin límite de ángulo en 360º.
Fig. 3. Gimbal Tarot Brushless – 2 Axis.
3. Motores : Su número total será igual que al total de hélices.
a) Con Escobillas CC : muy extendido entre los RPA de iniciación o recreativo, sufren de descaste y no son tan eficientes. Tienen una durabilidad de entre 10 y 15 horas.
b) Tipo Brushless CC : Para uso profesional o para competición, siendo estos de mayor durabilidad al no producirse tanto desgaste, en consecuencia son más caros.
La potencia de los motores deberá ser la necesaria para que permita elevar el triple del peso del RPA incluyendo la carga de pago y la prudencial para poder hacer frente a situaciones climatológicas adversas. La potencia requerida en los motores dependerá de la masa máxima al despegue, MTOW del RPA, esto incluye el peso de la aeronave en vacío + la carga de pago + baterías o combustible. Respetándose el máximo amperaje permitido para no quemar el motor y vigilando la tensión de entrada máxima para los elementos enlazados, variador de velocidad y batería LiPo.
Fig. 4. Motor brushless EMAX 2204-2300 KV.
Según las especificaciones en los motores tipo Brushless EMAX 2204-2300 KV de la Fig. 4.:
• Las cuatro primeras cifras se leen de dos en dos y corresponden con la longitud del motor (22 milímetros) y la altura (04 milímetros).
• Las cuatro siguientes cifras, 2300 KV, se corresponden a los KV o Kilo Volt y se trata de la característica física que define la calidad de un motor, en el que se describe el número de espiras, el diámetro del hilo de cobre utilizado en el bobinado, la potencia de los imanes y la geometría del motor.
El valor expresado en KV se traduce en el número de revoluciones por minuto que girará el motor cuando se aplique 1 Voltio de corriente. De todas maneras, este valor se obtiene con el motor libre de fuerzas de arrastre por lo que un valor distinto puede obtenerse con el motor funcionando con una hélice.
Una mala relación entre las dimensiones de la hélice y la potencia del motor podría sobrecalentarlo y comprometer así su buen funcionamiento.
Con un KV Bajo, el número de espiras es mayor y el hilo de cobre más fino. El total de amperios que circulará por el motor será inferior a otro con KV alto. Recomendado para RPA de grandes hélices, con mucho par y un régimen de velocidad bajo. Son de menor consumo eléctrico
Un motor con KV Alto el número de espiras será menor, por lo tanto, el hilo de cobre es más grueso y el total de amperios que circulará por el motor será superior a otro con KV bajo. Con ello se consigue poco par de fuerza y mucha velocidad, idóneo para hacer girar hélices de pequeñas dimensiones. Recomendado para RPAs de competición. Son de gran consumo eléctrico.
4. Hélices: Las hélices convierten el movimiento en poder de elevación. Debido a un perfil especial en uno de los bordes de la pala, la presión del aire es desigual en ambos lados mientras estas sigan en rotación, lo cual crea la elevación aplicando la tercera ley de Newton 1 y el principio de Bernoulli 2. Su coeficiente de planeo es prácticamente nulo por lo que un fallo en los motores haría caer al RPA en picado.
El número de palas por cada hélice lo determinará el peso del RPA y la función para la cual ha sido concebido ése drone. Las más utilizadas son las hélices de dos aspas las cuales otorgan mayor velocidad, aunque también se encuentran de tres o más. Las hélices tripala o superior mejoran notablemente la aceleración pero no la velocidad, generan menos ruido y pueden reducir su diámetro con respecto a las hélices bipala. Del mismo modo, un drone con hélice coaxial consigue reducir considerablemente el tamaño de la aeronave al disponer de doble motor y, por ende, de doble hélice por cada brazo, ganando en estabilidad y, aunque teóricamente con esta disposición de motores se obtendría el doble de eficiencia, a la práctica realmente no es así.
Fig. 5. Imagen de un RPA octocóptero coaxial.
De tratarse de un RPA cuadricóptero llevaría en total cuatro motores con cuatro hélices adosadas y engranadas con el motor correspondiente. Se pueden encontrar compuestas de cuatro materiales diferentes:
a) Plástico: Es un material cada vez más común en RPAs de iniciación, de competición e incluso para uso profesional. El material plástico genera un vuelo de movimientos armónicos al ser un elemento de alta flexibilidad, por este motivo las hélices de plástico presentan el inconveniente que al cargar grandes pesos las hélices flexan, por lo que se reduce la superficie de empuje pudiendo llegar a caer el RPA al suelo. Para prevenir tal efecto, actualmente se usa un compuesto de nylon con carbono, asegurando una mayor rigidez, al mismo tiempo que presenta un material todavía liviano y altamente resistente.
b) Fibra de carbono: Este material mucho más rígido soporta mayores cargas antes de la flexión, no obstante, presenta una menor dureza ante los golpes y caídas abruptas, corriendo el riesgo de astillarse y quedar inutilizadas. Tiene mayor capacidad de respuesta instantánea y genera unos movimientos en el RPA más bruscos y rígidos en el vuelo. Actualmente, las hélices de fibra de carbono se están viendo reemplazadas por las de compuesto de nylon con carbono.
c) Madera: Su uso se reduce al ámbito más clásico del aeromodelismo. De uso inexistente para aplicaciones técnicas y profesionales. No obstante, la madera tiene las mejores cualidades en deformación y absorción del impacto, aunque, al igual que la fibra de carbono las hélices de madera se astillan muy fácilmente.
La distribución de las hélices según el sentido de giro es alternando una con giro a levógira CW y la siguiente a dextrógira CCW, de tal manera que si se trata de un cuadricóptero, dos hélices girarán en un sentido y las otras dos en el sentido contrario. Dependiendo del tipo de frame, cada hélice debe respetar unos diámetros mínimos y máximos así como el posicionamiento de la pala en la posición correcta para garantizar la sustentación y un vuelo estable, vigilando de posicionar bien el ángulo de ataque o grado de inclinación, este paso es clave, puesto que nos asegura que el RPA levante el vuelo.
Fig. 6. Modelo de hélice de dos palas.
La longitud de la hélice se mide de punta a punta y se expresa según el diámetro de la circunferencia que crea al rotar. Del mismo modo, también se detalla el valor del paso de la hélice, es decir, el avance de la hélice por cada vuelta sobre un fluido ideal donde es nula la resistencia al avance.
Las hélices de menor diámetro tienen mejor respuesta para pasar de un estado de paro al siguiente estado de rotación. Respecto a las hélices de un mayor tamaño, la respuesta a las variaciones de la velocidad de rotación no son tan inmediatas, esto es debido a las fuerzas de inercia generadas al encontrarse a más distancia respecto del centro de giro fijo y desplazar la velocidad angular hacía las puntas de la hélice, generando una mayor resistencia al avance. No obstante, será el motor lo que condicione finalmente las medidas de la hélice para trabajar a un rendimiento adecuado, de otra manera, el motor se vería seriamente sobre revolucionado y se vería reducida considerablemente su utilidad.
Hay que considerar también el grado de inclinación de la hélice para determinar los aspectos de la sustentación y cómo repercutirá en el consumo de energía. Con un mayor grado de inclinación mayor es el aire dispuesto para la sustentación del RPA favoreciendo así una buena velocidad punta, en consecuencia el consumo será sensiblemente mayor. Así mismo, con menor grado de inclinación, mayor será la velocidad de giro, en este caso se reduce el consumo de energía y el desgaste de los motores. Las hélices con menor grado de inclinación tienen mayor aceleración, muy recomendables para el freestyle y la competición.
5. Baterías: Una de las cuestiones que más dudas suscitan hoy en día es la duración de las baterías y por tanto, del tiempo de vuelo productivo total. En los últimos años los avances tecnológicos han permitido optimizar notablemente la relación Capacidad/ Peso de las baterías. Las baterías nacen como opción a los combustibles fósiles siendo otro más de los atractivos de los RPA. Con el objetivo último de hacer perdurar durante más tiempo la energía almacenada, se han desarrollado opciones diferentes de generación y almacenamiento de energía para alimentar estas plataformas aéreas, tales como las baterías, la energía solar o el hidrógeno.
Sin embargo, la batería del tipo LiPo 1 recargable es la más usada entre los RPA por ser más eficaces y seguras, ya que ofrece mejores prestaciones que las baterías NiCd 2 y NiMh 3 ( 3 ) de gran efecto memoria 4. Además, las baterías de LiPo tienen una menor tasa máxima de descarga 5, tienen gran densidad de energía y pueden almacenar grandes cargas de corriente. La capacidad de las baterías es medido en miliamperios hora (mAh) 50, lo cual expresa cuanta carga puede almacenar la batería, oscilan desde 350 mAh para drones de juguete, 1000 – 3000 mAh para RPAs de competición, 3000 – 6000 mAh para multirrotores más grandes (tipo Yuneec Typhoon H) y hasta 20.000 mAh para multirrotores de gran capacidad 51.
Cada batería LiPo tiene un amperaje máximo de carga, este varía según el modelo de batería, es decir, dependiendo de la Capacidad de la batería y de la tasa máxima de descarga
• En una batería LiPo de tasa máxima de descarga 25C y Capacidad para 1000 mAh, la descarga se efectúa a 25 Amperios a la hora.
25C • 1000 = 25000 mAh ? 25 Ah
Lo cual, significa que de tener cuatro motores que consumen 10Ah, la Capacidad de la batería LiPo será insuficiente.
Para saber el amperaje máximo al que se podrá cargar la batería se deberá multiplicar la tasa de descarga por la capacidad de la batería ( 4 ). Los valores altos de C subministrarán mayor energía y por consiguiente el RPA aumentará en velocidad en detrimento del tiempo de vuelo total.
Las baterías están compuestas de varias celdas tipificadas en la batería con la letra s, de características iguales y 3,7 voltios en cada celda.
Fig. 7. Batería LiPo modelo Tattu 5200 mAh 3s 35C.
Habrá que considerar el número de celdas 6 de la batería que se vaya a utilizar. Con mayor número de celdas mayor será el voltaje de la batería, disipando más calor en el variador de velocidad al pasar la corriente por el resistor y aumentando sustancialmente el consumo de la batería.
Volviendo al caso anterior del motor, se realizan los siguientes supuestos:
• Con una batería de 3,7 V de tensión nominal y 4s, el valor teórico de rpm del motor será de :
3,7 V x 4s = 14,8 V
2300 KV x 14.8 V = 34040 rpm.
• Con una batería de 3,66 V de tensión nominal y 3s el valor teórico de rpm del motor será de :
3,66 V x 3s = 11,0 V
2300 KV x 11.0 V = 25300 rpm
La necesidad de incrementar el tiempo de vuelo está conduciendo a los investigadores a desarrollar nueva tecnología en baterías para RPAs. Baterías de grafeno, las cuales han sido implementadas en los drones en los últimos años, ofrecen una mayor densidad de energía y reducen considerablemente el tiempo de carga, peso y volumen (20 – 30% menos que una batería de litio) ( 5 ).
En relación con las baterías de los RPA, es necesario considerar cuantas baterías serán necesarias en un día para desarrollar la operación de vuelo y en qué lugar podrán ser cargadas las baterías (disponibilidad de conexión a la red, generador autónomo, etc). Un manejo adecuado de la batería es un factor clave, ya que pueden ser peligrosas si se exponen a altas temperaturas. Como norma, la temperatura óptima para las baterías tipo LiPo oscila desde los 8ºC hasta los 40ºC, fuera de este rango existe riesgo de fallo. Como solución a las bajas temperaturas, la compañía DJI en su modelo Inspire 2, ha diseñado baterías inteligentes del tipo LiPo capaces de garantizar un rango de temperatura eficiente. Como norma, se deberá dejar enfriar la batería antes de su carga nuevamente.
6. Variador de velocidad, ESC 7 : Modifica la velocidad del motor eléctrico para adaptarla en todo momento a la velocidad demandada. Transforma la tensión continua de la fuente de alimentación y la transforma en tensión alterna para hacer girar el motor. A su vez, el variador de velocidad va conectado a la Controladora de vuelo, de la que recibe los datos para hacer mover los motores.
Fig. 8. Controlador de velocidad electrónico ESC modelo Mr.Rc Simonk 30A Brushless.
A la hora de elegir un variador, habrá que tener en cuenta el amperaje máximo y su tensión de entrada máxima para garantizar el buen funcionamiento del motor. El variador de uso común trabaja a 5 voltios, por lo que debe llevar incorporado unas resistencias que hagan bajar el voltaje de la batería LiPo de 11.1 V.
Algunos diseños producen mucha calor debido a la disipación de energía que emiten. A mayor número de celdas en la batería mayor será el voltaje en el receptor del variador y en consecuencia, mayor disipación de calor. Para multirrotores de dimensiones normales los amperajes oscilan desde los 25 a los 40 amperios.
7. Controladora de vuelo AIO: También llamada Centralita, es el ordenador central de los RPA, registra datos, los procesa y los traduce en información para el operador.
Una vez que la emisora está encendida y la fuente de energía principal, es decir la batería LiPo, está conectada al RPA y activado, los receptores incorporados al RPA comienzan a comunicarse con la(s) emisora(s). A partir de este momento, los receptores enviarán cualquier señal proveniente de la emisora a la centralita. El procesador debe de hacer una lectura de todos los sensores que incorpora y que garantizan la estabilidad de la aeronave, incluso bajo las inclemencias de viento, si éste no es muy fuerte, permite el control del RPA.
Tan buen punto el transmisor (emisora) envía una señal al RPA, la controladora de vuelo descifra el mensaje y lo traduce en señales hacía los variadores de velocidad, que a su vez, permiten un control del voltaje total recibido por los motores con el objetivo de regular la velocidad de giro en cada hélice. Este sistema es el que permite a un RPA ser maniobrado ( 6 ).
Las más modernas controladoras de vuelo incluyen en la placa el sistema OSD, del inglés On Screen Display, capaz de transmitir los datos de RSSI 8, el voltaje de la batería Vbat, el tiempo de vuelo, amperios instantáneos y mAh totales gastados, el pitch que indica la dirección que toma la aeronave e información del modo activado ( 7 ), el OSD recopila todos estos datos de telemetría y los muestra en el monitor del piloto.
Las controladoras de vuelo mejor consideradas en la actualidad, son aquellas que incluyen en un solo formato la mayor cantidad de componentes que anteriormente se ofrecían por separado. A estas controladoras se les llama Todo en uno, o bien AIO, All In One ( 8 ). Es posible incluir nuevos switches en la placa controladora, siempre y cuando haya espacio de conexión, con el objetivo de añadir funciones a nuestro RPA, realizar cambios en el modo de vuelo, accionar servomotores o activar sistemas de alumbrado incorporados en el RPA.
Fig. 9. Controladora de vuelo modelo DJI A3 GPS Compass Pro.
8. PDB 9: No es estrictamente necesario pero ayuda en la distribución del montaje del cableado.
9. Emisora RC o transmisor: La emisora es el mando radiocontrol que maneja el Operador, realizando el enlace con la receptora radiocontrol equipada en el RPA, el Operador será capaz de maniobrar y accionar tantas funciones como previamente haya configurado en la placa Controladora, avisos de batería o accionamiento de servomotores. Generalmente la emisora trabaja en un rango de frecuencia de 2.4 Ghz. La emisora puede constar de unas sujeciones en su parte superior para la colocación una pantalla electrónica como función de vista en primera persona, FPV.
Fig. 10. Emisora FrSky Taranis XgD Plus.
10. Parasol: Estructura que se adapta a la emisora por medio de sujeciones, protege la pantalla electrónica para vuelos en BVLOS y la pone a resguardo del sol.
Fig. 11. Modelo estándar de parasol con adaptadores.
11. Sistema FPV : El sistema First Person View o vista en primera persona es un elemento esencial si lo que se pretende es realizar filmaciones fuera de nuestro alcance visual BVLOS, lo mismo ocurre para los pilotos de competición.
Fig. 12. Gafas FPV modelo Skyzone SKY02S V+5.8G 48CH (*3D).
El elemento que permite pilotar el RPA en primera persona es aquello que permita ofrecer al piloto imágenes captadas desde la posición del drone en tiempo real. Son dispositivos electrónicos tal como gafas de visualización más allá del alcance visual y como substituto a esta opción, una pantalla electrónica que permita visualizar los movimientos del RPA. Todas las imágenes son captadas por una cámara equipada en el RPA, para las actividades profesionales remuneradas suelen ser cámaras digitales, aunque para la competición se acostumbra a utilizar cámaras analógicas por su menor retardo en la transmisión de imágenes.
Esfera protectora : Diseñado para la inspección y exploración en lugares inaccesibles así como operar en interiores de dificil acceso. Su estructura externa tiene la función de proteger las hélices contra colisiones e impactos y la integridad del RPA. Su esfera envolvente gira sobre un centro de giro independiente del RPA por lo que siempre estará en rotación pero sin que ello afecte a la estabilidad o a las imágenes obtenidas.
El material del cual está hecho es de fibra de carbono, más resistente a las colisiones y más liviano que otros materiales, resistentes a impactos con velocidades de 4 m/s.
La esfera protectora es de uso conveniente cuando se accede en edificios y espacios confinados o en contacto con las personas para prevenir lesiones.
Fig. 13. Imagen del RPA de la empresa Flyability Drone.
12. Sistema paracaídas : Cubre un aspecto esencial en la seguridad, reducir o amortiguar la energía del impacto y poder evitar lesiones. Se trata de una medida de seguridad dirigida tanto al personal encargado de la operación como a terceros y poder recuperar el RPA sin consecuencias graves.
Es un dispositivo que puede ser accionado por control remoto desde la emisora o bien de forma automática al detectar un fallo en el vuelo. Dentro lleva una Controladora integrada e independiente de la controladora de vuelo del RPA, el sistema de eyección y el paracaídas.
Fig. 14. Kit paracaídas Safetech – ST160 + 12m2 de superficie vélica. Permite asegurar un RPA de hasta 25 kg. Adecuado para el formato DJI S1000.
Este elemento es el único que salvará la situación en caso de fallo en la Controladora de vuelo, batería agotada o obstáculo con las hélices. Requisito indispensable para operaciones en casco urbano y sobre aglomeraciones de personas.
Tal como refleja el Real Decreto 1036/2017, ver el Artículo 23 quáter. Requisitos de los equipos, apartado b.
13. Transpondedor en modo S : Dispositivo de uso obligatorio para aquellos RPAS que trabajen en modo BVLOS dentro de un espacio aéreo controlado. De igual manera, las comunicaciones con el responsable de dicho espacio aéreo se realizarán por radioteléfono en la banda aérea VHF.
La función del transpondedor es la de descodificar y dar una respuesta a una serie de pulsos de radio-frecuencia emitidos por la estación radar en tierra.
Existen diferentes modos para establecer un enlace Transponder – Torre de control. El Modo S es de uso civil, de enlace más avanzado también conocido como Modo Selectivo. Este sistema permite establecer enlaces selectivos desde la torre de control con cada aeronave e identificarlas y ubicarlas en altura.
Gracias a estos dispositivos se han desarrollado sistemas de alerta anticolisión como un medio de detección de aeronaves en riesgo de impacto.
Fig. 14. Imagen de un transpondedorADS-B con el radio-transmisor.
Tal como refleja el Real Decreto 1036/2017, ver el CAPITULO VIII. Artículo 23 quáter., Requisitos de los equipos, punto 2.
14. Placa identificativa : Será una placa hecha de material ignífugo en la cual consten los datos identificativos del RPA así como los datos de contacto con el Operador. Habrá que considerar en qué medida podrá afectar su composición a la comunicación entre la plataforma y la emisora, por ello en determinados casos será necesaria la utilización de aluminio anodizado por la seguridad del canal de transmisión.
Fig. 15. Ejemplo de una placa para la identificación del RPA.
Tal como refleja el Real Decreto 1036/2017, ver el CAPITULO II Sección 1ª. Artículo 8, Identificación.
1 Leyes del movimiento de Newton. 3ª Ley de Newton establece que “la fuerza de un objeto aplicada sobre otro objeto es inversamente proporcional a la fuerza del segundo objeto, en magnitud y dirección opuesta, sobre el primero”. También conocido como efecto par motor.
2 Teorema de Bernoulli. Por el cual se establece el comportamiento en dinámica de fluidos por medio de la conservación de energía.
3 LiPo, Batería de polímero de iones de litio recargable.
4 NiCd, batería Niquel-Cadmio. El Cadmio se considera un elemento altamente contaminante.
5 NiMh, batería Niquel-Hidruro Metálico. La potencia eficaz de estas baterías disminuyen al trabajar en climas fríos.
6 El efecto memoria consiste en una reducción progresiva de carga máxima debido a la interrupción en la carga. Este efecto se produce en baterías NiCd y NiMh.
7 Tasa de descarga es la capacidad de entregar energía en un determinado momento. 20 – 30C será lo más normal en estos casos.
8 El número de celdas viene especificado en las baterías con un número y la letra s, p. ej., 3s significa batería de tres celdas.
9 ESC, «Electronic Speed Controller».
10 RSSI, «Received Signal Strength Indicatorr», es un indicador del nivel de fuerza de la señal recibida.
11 PDB, «Power Distribution Board».
Referencias:
( 1 ) Escuela de formación l’AeroClub Barcelona – Sabadell. .
( 2 )
( 3 ) Roger’s Hobby Center. A gruide to understanding LiPo batteries. .
( 4 ) Pau G. Universidad Politécnica de Barcelona – Facultad de Náutica de Barcelona. Departamento de Electrónica Naval.
( 5 ) ABC Reportajes. Una empresa española desarrolla una batería con autonomía para 800 kilómetros. .
( 6 ) TRIK. How drones work. Agosto 2018. .
( 7 ) ¿Qué es un OSD?¿Qué OSD me compro? Respuesta: Micro MinimOSD. .
( 8 ) Las mejores controladoras de vuelo 2018. .
Logros tecnológicos en beneficio de equipos RPAS
Intel desarrolla un sistema para evitar choques de drones basado en bluetooth
http://www.europapress.es/portaltic/sector/noticia-intel-trabaja-sistema-basado-bluetooth-ubicar-posicion-drones-evitar-choques-20180817122306.html
https://www.youtube.com/watch?v=ptlyOsT43Xc;feature=youtu.be
https://es.digitaltrends.com/drones/dron-mantis-q-yuneec/
Atributos y peculiaridades de los RPAS para distintas aplicaciones específicas
Table 4 presenta algunos UAVs utilizados a nivel mundial para realizar inspecciones termográficas, tal como los fabricantes DJI o Yuneec y otros los cuales siguen un riguroso proceso de fabricación para cumplir las necesidades del comprador.
Fig. 5 muestra un hexacóptero DJI S900 equipado con una cámara termográfica FLIR TAU 2 y una cámara digital Hero 4 GoPro.
El equipamiento mostrado está listo para la realización de inspecciones termográficas aéreas sobre plantas fotovoltaicas.
Los RPAs mostrados en la Tabla 4 tienen un amplio rango de precios, comenzando desde alrededor de 2.000 € para los cuadricópteros más básicos hasta los más de 28.000 € para aeronaves personalizadas avanzadas.
http://store.atyges.es/categoria-producto/drones-catalogo/
MANTENIMIENTO RPEDICTIVO Y DIAGNOSIS DE FALLOS
Intro
http://www.elmundo.es/economia/2018/01/16/5a5de0e4e5fdeaad3c8b45e5.html
recomendaciones para las baterias
¿Tienes dudas sobre las baterías de los drones? Aquí te explicamos los conceptos y te damos algunos consejos
Referencias
( 1 ) López Cordón, M. Victoria. España en las Conferencias de la Haya 1899 y 1907. Revista de Estudios Internacionales, Vol. 3, Julio – Septiembre 1982.
( 2 ) http://www.century-of-flight.net/new%20site/balloons/Military%20balloons%201850.htm
( 3 ) https://consortiq.com/en-gb/media-centre/blog/short-history-unmanned-aerial-vehicles-uavs
( 4 ) https://www.xataka.com/drones/asi-utilizo-estados-unidos-drones-militares-en-la-guerra-de-vietnam
Consideraciones
Será especialmente importante considerar el tamaño y el peso de la cámara además de otros sensores como luces linterna y cámara digital, lo que conforma el total de la carga de pago adosado al RPA. En consecuencia, el tiempo de vuelo se verá drásticamente reducido al tener que sustentarse más carga, por lo que las baterías trabajarán a un mayor rendimiento y se agotarán más rápidamente. Al producirse este efecto, irremediablemente se habrá de ir sustituyendo las baterías con mayor frecuencia y el tiempo de inspección se verá aumentado, disminuyendo la carga de trabajo diaria del operador.
4. Funcionamiento de la termografía y sus aplicaciones complementarias en apoyo a la inspección aérea con RPAS equipados con cámaras infrarrojas.
4.1. Resumen
En esta sección, se hace una revisión de la tecnología disponible para la toma de imágenes aéreas en el espectro térmico, bajo una perspectiva desarrollada para una orientación más técnica en los procesos de inspección con RPAS. Está dividido en diferentes capítulos con el objetivo de ofrecer un conocimiento profundo sobre los elementos y las propiedades que definen la termografía. Comienza con una introducción para centrar conceptos y configurar el tema entorno a los RPA, seguido de un repaso histórico mostrando los avances tecnológicos referentes a las cámaras termográficas hasta nuestros días, a continuación, se explican los conceptos generales en termografía, las especificaciones de las cámaras infrarrojas, los tres parámetros fundamentales a tener en cuenta al realizar termografía aérea, se ofrecen explicaciones para determinar la temperatura de radiación reflejada, concepto que queda explicado en el artículo, se muestran ilustraciones y se detallan los efectos de una toma incorrecta del parámetro emisividad, así como los métodos que existen para su medición. Se describen las características de las lentes de infrarrojo y se expone un detallado y preciso capítulo donde se enumeran las posibles fuentes de error en el proceso de toma de datos así como unas recomendaciones para mitigarlos. Para acabar con una explicación precisa de las funciones complementarias que realizan las más modernas cámaras infrarrojas.
4.2. Introducción
La incorporación de los RPAS a los diversos procesos de análisis es un hecho, ya que presentan una interesante alternativa low-cost. Los avances tecnológicos han propiciado la evolución y desarrollo de mejores sensores electrónicos y nuevo instrumental englobado en las operaciones aéreas. La posibilidad de implementar un RPA con nuevos sensores aumenta considerablemente su potencial.
Actualmente, es muy popular el uso de la fotogrametría y la termografía operada con RPAS en casi todas las ciencias, por poner algunos ejemplos, para topografía y cartografía 1, 2, en inspecciones y en industrias renovables, agricultura de precisión e investigación, mapeo, documentación para el seguimiento de obra, así como inspección de infraestructuras para la detección de fisuras en el hormigón o anomalías en el acero 3, en ecología, lucha contraincendio y monitoreo de especies salvajes o protegidas6, aereovigilancia y detección de infracciones 7 o detector de fugas de agua así como de fugas energéticas 8 – 10, también para la industria de la aviación así como en aplicaciones militares.
Si se está pensando en adquirir un equipo para este tipo de tareas, es preciso ser consciente de lo que nos ofrece el diferente instrumental, para eso será necesario disponer de un absoluto conocimiento sobre las herramientas que se vayan a utilizar, de sus características y también de las limitaciones que éstas presenten.
Para lograr precisión en la fotogrametría así como calidad del informe final es importante garantizar una óptima calidad en la imagen 18, 19. Cabe señalar que si bien es cierto, equipos de científicos están desarrollando métodos para la inclusión de los RPAS en ésta área, no obstante no existe ningún plan de operaciones ni guía para la selección del instrumental necesario para las inspecciones debido a las particularidades que presenta cada escenario. Esto hace que sea precisa una evaluación constante de herramientas a utilizar además de los aspectos concernientes a la operación, sin olvidar los nuevos dispositivos y actualizaciones disponibles en el mercado. Pocas referencias se hacen sobre el equipo y uso de cámaras termográficas en publicaciones recientes, no obstante, el último ranking realizado por el portal web dronesGlobe ( 1 ) situado a la vanguardia de los últimos avances, consideró dos de las cámaras más populares en el sector RPAs en 2017, concluyendo que el consorcio empresarial de Flir y Thermoteknix Systems 24 es el proveedor más popular y que mejor calidad y diseño ofrece, hasta el punto de que el fabricante más popular de RPA, la empresa DJI, ya integra en sus aeronaves dispositivos Flir Systems, habiéndose producido colaboraciones ( 2 ) puntuales entre las dos compañías para crear la cámara Zenmute XT, la cual permite una vista térmica perfecta y un integración total con la línea de aeronaves DJI Inspire One y DJI Matrice en cualquiera de sus series. Como resultado de la necesidad de completar y hacer conocido este estudio con cámaras desarrolladas recientemente, este documento presenta las características más importantes y mejor desarrolladas en la termografía aérea hasta el momento.
4.3. Origen de la termografía
No fue hasta el siglo XIX cuando se experimentó un gran salto cualitativo en el método de medición de la temperatura al lograr romper con la limitación que suponía el establecer un contacto físico entre el instrumento de medición y la naturaleza del análisis.
El primer dispositivo que permitió el registro de temperaturas fue inventado a finales del siglo XVI por Galileo Galilei. Posteriormente desarrollado y perfeccionado, pero todavía dependía de la relación de ubicar los dos elementos en el mismo espacio y en contacto permanente. Continuó así hasta que en el año 1800 el músico y astrónomo alemán Frederick William Herschel llevó a cabo una serie de experimentos que determinaron que la temperatura del termómetro en el espectro de luz visible aumentaba en ir del violeta al rojo, y descubrió una nueva forma de luz más allá de la región roja del espectro, en el rango de ondas más largas, al comprobar que la temperatura en esta región era la más alta de todas, los rayos infrarrojos, dando lugar a la primera demostración de la existencia de formas de luz imposibles de ver desde el ojo humano.
A finales del siglo XIX el astrónomo estadounidense Samuel Pierpont Langley inventó el bolómetro, un instrumento capaz de medir la radiación electromagnética (IR 1) en cualquiera de sus longitudes de onda a una distancia algo de 400 m. Años más tarde, Nikola Tesla mejoró el bolómetro de Lingley aumentando considerablemente la distancia anterior, más tarde Tesla solicitó permiso a Langley para usar un bolómetro en sus experimentos para la transmisión de energía, 1892. A partir de ese momento se estableció de manera definitiva la relación entre el electromagnetismo y la luz eléctrica 20.
Después de los avances en el campo de la radiación infrarroja de Herschel, no fue hasta 1920 cuando se logró un gran avance técnico al hacer posible la medición de dicha radiación. Durante la Guerra Mundial II se desarrolló su tecnología abriendo paso a los primeros misiles guiados por infrarrojos. Tras la guerra, en 1966 la empresa sueca AGA lanzó al mercado la primera cámara termográfica para uso civil y comercial, capaz de realizar 20 fotogramas en un segundo. Las primeras cámaras eran pesadas, grandes y poco manejables. Gradualmente, la tecnología fue evolucionando hasta que en 1990 se consiguió un gran avance cuando salió al mercado una cámara termográfica con resolución de 320 x 240 píxels. El avance de la tecnología para monitorizar la información ha sido la responsable del desarrollo en el sector. Al tiempo que nuevas mejoras se iban incorporando, nuevas aplicaciones termográficas iban apareciendo, esto propició una evolución acelerada hacia dispositivos aún mejores.
1 IR. Infrared Radiation. Radiación infrarroja.
4.4. Conceptos generales para la termografía
La termografía aplicada en RPAS trata de un método de medición no invasivo, sin contacto, que permite detectar y registrar gráficamente la radiación térmica-infrarroja del espectro electromagnético que desprenden los elementos, es decir, capta de manera remota la radiación infrarroja de onda larga y la traduce en un valor en grados Celsius.
Hablar de cámara infrarroja es igual que hablar de sensor de imagen térmica o más simple y llanamente cámara térmica. Con el método de la termografía es posible medir las características de radiación, ubicar los puntos de mayor y menor emisividad térmica e identificar posibles áreas estructuralmente dañadas 20. Partiendo de la Ley de Radiación del cuerpo negro de Planck 1 22, se conoce que cualquier elemento con una temperatura superior al zero absoluto (0 K = -273,15 ºC) emite IR invisible para el ojo humano. Todos los cuerpos emiten radiación de onda electromagnética de intensidad variable dependiendo de su temperatura y la longitud de onda considerada.
Respecto a transmisión de calor por radiación el rango de longitudes de onda comprendidos van de 0,1 ?m hasta los 1000 ?m, abarcando así la región infrarroja del espectro electromagnético. La longitud de onda de la radiación infrarroja oscila entre los 0,8 ?m y los 1000 ?m, así mismo IR se clasifica según su longitud de onda:
• Infrarrojo cercano de 0,75 ?m a 2,5 ?m
• Infrarrojo medio de 2,5 ?m a 50 ?m
• Infrarrojo lejano de 50 ?m a 1000 ?m
Fig. 1. Muestra el espectro electromagnético junto con la longitud de onda característica en cada franja del espectro.
En cambio, las cámaras térmicas trabajan en la región del espectro infrarrojo-térmico, que es donde se encuentran las temperaturas más habituales en la Tierra, entre los -20 ºC hasta los 350 ºC. No obstante, cada cámara térmica indica el rango de longitud de onda a la que trabajará.
Las cámaras térmicas disponen de unos lentes ópticos que rotan sobre sus propios ejes para canalizar la IR que le llega al detector o sensor de luz de onda infrarroja. Este sensor recibe el nombre de microbolómetro y convierte la radiación infrarroja en señales eléctricas por medio de las fluctuaciones producidas por la resistencia eléctrica del sensor. Este cambio en la resistencia es interpretado y se equipara a una temperatura establecida, teniendo asignado un color para cada temperatura. Por último, esta información es proyectada en un monitor donde se muestra la distribución de la temperatura. Sin lugar a dudas, la constante perfección de los diferentes sensores y dispositivos integrados en las cámaras infrarrojas, han contribuido sin lugar a dudas a la rápida expansión de la termografía para operaciones técnicas y profesionales.
La clave del éxito de la termografía aplicada al campo de la inspección es su gran precisión y la ausencia de contacto entre el instrumento y el objeto analizado. De esta manera, se evita así el efecto de la resistencia térmica de contacto 23, fenómeno que se produce cuando se pone en contacto dos elementos que debido a su superficie macroscópicamente irregular aparece una resistencia de flujo de calor entre los dos elementos, ofreciendo una resistencia térmica diferente al contacto pico-pico. Esto resuelve los problemas en los que es de suma importancia predecir y controlar la temperatura con gran precisión.
1 Ley de Radiación del cuerpo negro de Planck, desarrollada por el físico y matemático alemán Max Planck en el 1900.
4.5. Especificaciones de las cámaras infrarrojas
Los diseños de las cámaras termográficas han sido pensados para su integración en los distintos procesos logísticos y operacionales con la finalidad de aportar un valor añadido para los más altos estándares competitivos. Con el afán de desarrollo y optimización numerosos fabricantes han adaptado sus diseños en tecnología termográfica para abarcar lo que es si un mercado velozmente creciente y con grandes perspectivas. Los últimos modelos optimizan la relación tamaño-peso de la cámara para una mayor versatilidad en sus aplicaciones. Las dimensiones de las cámaras termográficas actuales rondan los 70 x 75 x 60 mm.
El proceso de desarrollo de la termografía a derivado en dos tipologías de cámara diferenciadas, por un lado las cámaras infrarrojas no refrigeradas, donde el sensor opera a temperatura ambiente, y por otro lado las cámaras infrarrojas refrigeradas, esto quiere decir que el detector refrigerado se posiciona dentro de una caja sellada al vacío y refrigerada criogénicamente, con el objetivo de evitar influir en la medición de temperaturas. En caso de haber influencias del detector con la variación de la temperatura, los resultados obtenidos no reunirían los requerimientos para los estándares más exigentes de alta precisión en la medición de la temperatura.
El precio de las cámaras infrarrojas refrigeradas es aproximadamente diez veces mayor que las no refrigeradas, además, consumen más energía que las no refrigeradas y necesitan un periodo de tiempo previo antes de poder empezar a operar para poner en marcha el sistema de refrigeración. Consecuentemente, pudiendo afectar esto al tiempo de vuelo del RPA la cámara térmica infrarroja más usada en inspecciones aéreas no son refrigeradas.
Son numerosos los fabricantes de dispositivos de captación térmica que han adaptado sus diseños para hacer viable el vuelo efectivo del RPA. El gran avance tecnológico ha tenido repercusiones económicas para los consumidores en forma de reducción y estabilización de los precios de estas aeronaves. Existe un mercado muy extenso sobre RPAS en constante evolución, donde nuevas funciones son añadidas ampliando así el alcance de estas aplicaciones, por lo que es necesario ser consciente de las herramientas disponibles más actualizadas en lo que respecta al conjunto del equipo que engloba las inspecciones aéreas.
Claramente, la resolución del detector de luz es una característica importante en las cámaras térmicas. El valor de la resolución se expresa en píxels por pulgada «dpi, dots per inch», es decir el número de píxels a la horizontal por el número de píxels a la vertical de la matriz de plano focal, también conocido como FPA 1. El prestigio de las cámaras térmicas con sensor FPA se debe a su extremadamente elevada exactitud. Tener una alta resolución garantiza imágenes más claras y precisas al tener más grado de detalle permitiendo mediciones más exactas. No hay que olvidar que no todo depende de la cámara, gran parte de la labor para obtener un informe final preciso recae en la pericia del piloto, debiéndose ajustar la altura de vuelo para cada caso con el objetivo de realizar un registro preciso de las variaciones de temperatura. Dependiendo de la naturaleza de la inspección el grado de detalle puede requerir ser más elevado, caso del panel solar, en estos casos la operación se prolongará inevitablemente ya que la altura de vuelo se deberá de ajustar a un rango limitado reduciendo exponencialmente el área analizada captada por el lente.
Actualmente, dependiendo del tamaño del sensor el rango disponible en el mercado en cámaras infrarrojas para RPA oscila desde resoluciones inferiores a 80 x 60 píxels (4,8 kpíxels) hasta más de 640 x 512 píxels (0,327 Mpíxels). Se recomienda que la resolución del detector no sea inferior a 320 x 240 píxels para lograr resultados profesionales. Es importante puntualizar que la resolución del detector de luz de onda infrarroja nada tiene que ver con la resolución de la pantalla LCD, de resolución mayor que la del detector.
Otra de las características estrechamente ligada al tipo de detector infrarrojo, sin importar si se trata de una cámara infrarroja refrigerada o sin refrigerar, es la sensibilidad térmica o NETD 2 y el valor de exactitud que la cámara ofrece. La sensibilidad térmica describe la mínima diferencia de temperatura entre dos píxels que la cámara puede medir. A menor sensibilidad térmica mayor exactitud en las termografías. Las cámaras termográficas no refrigeradas y para su uso en aeronaves RPA ofrecen actualmente opciones de sensibilidad térmica alrededor de 50 mK (milésimas de grados Kelvin) a una temperatura ambiente de 30 ºC. En comparación con las cámaras refrigeradas donde la sensibilidad se sitúa sobre los 10 mK 28. De igual importancia es otro aspecto para tener en consideración, la exactitud. Este atributo indica la proximidad del resultado de la medición al valor verdadero del parámetro. Durante estos últimos años, gran número de científicos y desarrolladores han logrado optimizar las prestaciones que ofrecen las cámaras térmicas no refrigeradas, a fin de mejorar la precisión en las mediciones. Actualmente las plataformas que lideran el mercado ofrecen un grado de exactitud del ±2% en cámaras térmicas para inspección aérea, de diseño más compacto.
Como se muestra en la Tabla 2, algún equipo disponible en el mercado tiene una resolución de más de 640 x 512 pixeles, sensibilidad térmica de 0,03 K y exactitud de ± 2% o ± 2ºC.
El método para desarrollar cada operación dependerá en última instancia de las propiedades intrínsecas del objeto a medir, así como la superficie total y del ambiente de medición.
Otro parámetro significante de las cámaras, especialmente en caso de termografía aérea donde la cámara está en movimiento o capturando objetos en movimiento, son los fotogramas por segundo. Los fotogramas por segundo representa el número de fotogramas tomados por la cámara en un segundo. Normalmente, los fotogramas por segundo para cámaras aéreas tienen una velocidad de refresco de la imagen hasta 50 Hz, lo que significa 50 fotogramas por segundo.
El último parámetro a ser considerado respecto a las cámaras termográficas es su rango de temperatura, definido como el valor térmico máximo y mínimo que la cámara puede medir. Los valores típicos comprenden de los -20 ºC hasta los +500 ºC y puede aumentarse hasta los 1700 ºC usando diferentes filtros 28. Por ejemplo, en la cámara Optris PI 640 Li, se ofrece un rango que va de los -20 ºC hasta los +900 ºC, de 0 ºC a +250 ºC y de +150 ºC hasta los +990 ºC. Por otro lado, la fabricante Flir establece diferentes precisiones para la medición de temperaturas dependiendo del rango térmico, define con una precisión de lectura en ± 5 ºC o ± 5% para rangos que oscilan de los -25 ºC a los 135 ºC, y de ± 20 ºC o ± 20% de precisión de lectura para rangos entre los -40 ºC y los +550 ºC.
La imagen es presentada en dos gamas de colores diferentes que ofrece el software de la cámara. Elegir una paleta de colores apropiada mejorará el contraste, lo que facilitará la interpretación de la imagen térmica. Pudiéndose modificar y personalizar la paleta de colores mediante el software de análisis después de realizar el registro de las imágenes térmicas. Se deberá de tener en cuenta para la interpretación de las imágenes térmicas el tipo de paleta de colores utilizada, normalmente imágenes en escala de grises, según paleta de hierro o paleta Arco Iris. De manera intuitiva, la paleta de colores estándar asocia el rojo y amarillo para el calor; el verde y el azul para el frío.
Para sacar provecho de todas estas características técnicas, es esencial entender cada una de las opciones de la cámara. Leer cuidadosamente y considerar toda la documentación y/o manual del fabricante es extremadamente importante.
1 1 Matriz de plano focal, por sus siglas en inglés FPA «Focal Plane Array».
2 Sensibilidad térmica, por sus siglas en inglés NETD «Noise-Equivalent Temperature Difference». Diferencia de temperatura equivalente a ruido.
4.6. Tres parámetros elementales para la termografía
Hay que tener en cuenta las diferentes variables que a menudo tienen mayor efecto en el cálculo de las mediciones, siendo las tres principales el valor de emisividad, la reflexividad o compensación de la temperatura reflejada y la transmisividad. Idealmente, el objeto a medir absorbe toda la energía y la transforma en su propia radiación infrarroja produciendo emisión de energía infrarroja. En este caso se le define como cuerpo negro perfecto. Sin embargo, dicho comportamiento ideal nunca ocurre, en su lugar, se produce la reflexión y la transmisión de energía. Es por ello que para obtener mediciones fiables con los sistemas de medición infrarrojo es vital conocer cómo se comportan estos factores a la práctica, otra opción es eliminar su influencia mediante la modificación deliberada del área de medición, por ejemplo, aplicando recubrimientos de pintura, no importa color, adhesivos de papel o recubrimientos plásticos, lo cual mejorará considerablemente la emisividad.
Se define como reflexión (?) a la capacidad para reflejar la energía infrarroja proveniente de algún otro elemento y que se refleja en el objeto de análisis. La reflexión viene determinada por las características del elemento, la superficie y la temperatura ambiente, en muchas aplicaciones, la reflexión se corresponde con la temperatura ambiente medible con cualquier termómetro, aunque si bien es cierto, puede existir una mínima diferencia de temperatura entre la temperatura ambiente y la temperatura reflejada o RTC. Es recomendable un termómetro de globo o un radiador Lambert para medir la radiación reflejada si ésta es considerable.
Otrosí, el concepto de transmisividad térmica (?) se explica por la cantidad de energía térmica que fluye y se transfiere en, o, a través de un cuerpo, ésta puede ser transferida por conducción, conexión o radiación. La transimisión térmica depende del tipo de material y su grosor. Generalmente, el calor siempre fluye a través de un elemento hacia el punto más frío. La mayor causa de errores en el análisis térmico deriva de establecer valores incorrectos para la medición de emisividad del objeto. La emisividad (?) es la propiedad que indica la eficacia con la que un elemento o superficie emite radiación térmica y se expresa con el coeficiente de emisividad que relaciona la radiación emitida por el objeto con la radiación emitida si el objeto fuera un cuerpo negro 1. En consecuencia, un cuerpo con valor de emisividad bajo indica que el elemento produce mayor reflexión y por tanto, lo hace mejor aislante, en estos casos hay mayor dificultad para una medición exacta de la temperatura. En estas circunstancias una correcta configuración del RTC adquiere mayor importancia. Esto se puede hacer de forma manual o por medio de un software de análisis profesional.
Aquí se muestran algunos elementos y su valor de emisividad, siendo 1 el valor máximo ( 3 ). Dado que la emisividad varía con la temperatura y las propiedades de la superficie del objeto, estos valores solo deben ser considerados como datos orientativos.
Tabla 1. Valor de emisividad térmica para superficies comunes.
• Hierro fundido, fundición áspera 0.81
• Hierro fundido, pulido 0.21
• Hierro oxidado 0,74
• Acero, rojo óxido 0,64
• Aluminio, superficie áspera 0.07
• Hormigón de arena (a 20ºC) 0,93
• Hormigón armado (a 20ºC) 0,93
• Cemento Portland (a 20ºC) 0,93
• Agua 0,98
Los metales, sobre todo aquellos con superficie brillante, tienen una baja emisividad que fluctúa con la temperatura 2 y además son potentes reflectores de radiación infrarroja de onda larga Por tanto, su medición con cámara termográfica será problemática y dificil. Si el metal-objeto está pintado la medición es más sencilla, porque las pinturas generalmente tienen una emisividad conocida alta. Muchos materiales no metálicos, por ejemplo PVC, hormigón o sustancias orgánicas, tienen una elevada emisividad en el rango infrarrojo de onda larga que no depende de la temperatura, generalmente el valor de emisividad para este tipo de materiales oscila entre ? = 0,8 a 0,95.
Estableciendo una correlación entre el valor de emisividad y la reflexión, se puede determinar que en objetos con emisividad elevada (? ? 0,8) presentan un nivel de reflexión bajo, por tanto se pueden medir fácilmente su temperatura. Los objetos con emisividad media (0,6 ; ? ; 0,8), presentan un nivel de reflexión medio y por lo general se pueden medir su temperatura fácilmente con la cámara termográfica. En cambio, para objetos con baja emisividad (? ? 0,6) los resultados obtenidos con la cámara térmográfica deben de ser analizados cautelosamente, siendo primordial realizar un correcto ajuste de la temperatura reflejada (RTC).
Para sintetizar ideas, contra mayor es la diferencia entre la temperatura del cuerpo medido y la temperatura ambiente, y además, tenga un valor de emisividad bajo, mayor dificultad para lograr exactitud en las mediciones y por lo tanto, mayor número de errores. Incrementándose aún más si el ajuste de emisividad no es correcto.
1 Un cuerpo negro siempre tiene un coeficiente de emisividad ? = 1.
2 Radiador de cuerpo coloreado. Dícese de aquel objeto con ? ; 1 que depende de la temperatura y fluctúa solidariamente con esta. Muchos metales son radiadores coloreados, razón por la que el aluminio incrementa su emisividad cuando se calienta (? = 0,02 a 25 ºC, ? = 0,03 a 100 ºC).
Ley de radiación de Kirchhoff’s
Por la que se determina que cada elemento de la naturaleza emite energía continuamente, de manera visible e invisible según la temperatura del cuerpo.
La síntesis de las tres variables explicadas previamente, es decir, la radiación emitida por el cuerpo (?), la reflexión de la radiación ambiente (?) y la transmisión de radiación del objeto medido (?), se traduce en la radiación infrarroja que registra la cámara. Se define matemáticamente como:
? + ? + ? = 1
Donde el resultado de estos factores es siempre 1 (100%). Dado que en la práctica la transmisión térmica no representa un factor apreciable, la variable ? se omite en la fórmula. Por tanto:
? + ? = 1
4.7. Cómo determinar la temperatura de radiación reflejada
El primer paso será eliminar cualquier influencia externa y posibles fuentes que pudiesen afectar en la medición, bien apantallando estas fuentes con lonas o cualquier material opaco, de ser posible, la temperatura reflejada y la ambiente será la misma y se procederá a medir esta temperatura y ajustar la RTC de la cámara termográfica basándose en ese valor. Si esto no fuera posible, considerar que la temperatura reflejada y la ambiente no son iguales. Por lo que será necesario el uso de un termómetro de globo o un radiador Lambert para medir la radiación reflejada.
Para medir la temperatura reflejada con un radiador Lambert, se ha de colocar el radiador Lambert cerca o idealmente sobre la superficie del objeto a medir. A continuación, se mide la temperatura con un valor de emisividad ? = 1 y distancia 0 metros. La cámara termográfica calcula la temperatura de radiación incidente y la muestra en el monitor. El valor mostrado se puede tomar como el ajuste de RTC (temperatura reflejada) de la cámara y así medir la temperatura del objeto modificando la emisividad ajustada al valor de RTC.
Existe un método improvisado para calcular la temperatura de radiación reflejada, partiendo de un improvisado radiador Lambert. Por definición, un radiador Lambert es un objeto capaz de reflejar la radiación incidente con la misma intensidad en cualquier dirección. Si no se dispone de radiador Lambert, el operador puede medir la temperatura de radiación reflejada con la ayuda de un trozo de cartón forrado de una lámina de papel de aluminio arrugada y alisada de nuevo, puesto que el papel de aluminio tiene altas propiedades reflectantes y gracias a las arrugas, la reflexión difusa de la radiación es casi perfecta.
4.8. Efectos de un cálculo erróneo de la emisividad
Al realizar el ajuste de la emisividad para un cuerpo cuya temperatura sea muy superior a la temperatura ambiente, un ajuste de la emisividad demasiado alto resulta en unas lecturas de temperatura demasiado bajas, y viceversa. En el caso que la temperatura del cuerpo sea inferior a la temperatura ambiente, un ajuste de la emisividad demasiado alto se traduce en unas lecturas de temperatura demasiado altas, y viceversa.
El procesamiento de la imagen térmica resultante considera la emisividad de la superficie del objeto medido así como la compensación de la temperatura reflejada o RTC 1. Las cámaras termográficas actuales disponen de la opción para ajustar las variables de emisividad y de temperatura de reflexión de manera fácil e intuitiva.
Fig. 1. Imagen termográfica que muestra un cálculo de medición de emisividad erróneo.
El ejemplo de la Fig. 1. muestra uno de los experimentos realizados por los laboratorios Testo SE & Co. ( 4 ) de cómo la emisividad puede afectar una imagen infrarroja. Debido a una medición de emisividad de la cámara demasiado baja, el anillo no emite tanta radiación infrarroja como la mano, aunque ambos, anillo y mano están a la misma temperatura. A su vez, refleja el infrarrojo de áreas más frías. Por lo tanto, la baja emisividad en la cámara y la alta reflectividad del anillo hacen que el anillo parezca más frío, dando lugar al error. Para mostrar la temperatura de ambos materiales correctamente, ha de ajustarse con posterioridad la emisividad de ciertas áreas con un software.
1 Compensación de la temperatura reflejada, por sus siglas en inglés RTC «Reflected Temperature Compensation».
4.9. Métodos de cálculo para la emisividad
Existen diferentes maneras para determinar y ajustar el valor de emisividad de los cuerpos. A continuación se explican tres de las más habituales:
1. Método por Tablas. Ajustar la emisividad partiendo de las tablas de emisividad como la mostrada en la Tabla 1. Siempre y cuando se consideren los valores de emisividad de las tablas como un valor orientativo.
2. Método por medición comparativa con termómetro de contacto. Primeramente, se determina la temperatura del cuerpo o superficie y posteriormente, se mide la temperatura del objeto de análisis con la cámara termográfica con la emisividad ajustada a ? = 1 (máx.). Debido a que el valor de emisividad establecido en la cámara no se ajusta al valor de emisividad real del cuerpo, de manera manual y gradual se irá ajustando ? de la cámara hasta que la temperatura detectada por la cámara corresponda con del termómetro de contacto.
Fig. 2. Muestra el ajuste de la escala de temperatura.
3. Método por medición comparativa con la misma cámara. Para este método, se utiliza cinta adhesiva de emisividad de valor estándar ? = 0,95. El valor de emisividad de la cinta se tomará como referencia y se ajustará con la cámara. Después de adherir la cinta al objeto y transcurrido un tiempo prudencial de adaptación podemos medir la temperatura del objeto sobre la cinta adhesiva con el objetivo de obtener un valor-referencia. Seguidamente, se debe ajustar ? de la cámara hasta que la cámara mida la misma temperatura en cualquier zona sin la cinta que el valor de referencia. Como medida alternativa a la cinta de emisividad, se puede utilizar cualquier pintura de emisividad conocida, recubrir el objeto con una capa gruesa de aceite resistente al calor, ? = 0,82 o recubriendo el objeto con una capa gruesa de hollín, ? = 0,95.
4.10. Especificaciones de la lente de infrarrojo
Existe una relación entre el tamaño de la lente y el tamaño de la cámara. En perspectivas de su aplicación en la termografía o para captura de imágenes aéreas reales se tendrá que considerar qué tipo de lente trabaja mejor en cada escenario. Al elegir la lente correcta también se aumentará su eficacia y a menudo se ahorrará en tiempo produciendo mejores imágenes para el post-análisis y la elaboración de informes. El tipo de lente sumado a la altitud de vuelo del RPA y el tipo de sensor de la cámara determinará el tamaño de la superficie que cubrirá la imagen. El material del cual están hechas las lentes se compone de Germanio, un material de muy buena conductividad de radiación infrarroja y de gran dureza. La fabricación de estas lentes es realmente lo que configura el precio de adquisición de la cámara, debido a la gran dificultad para su producción que necesita ser tallado con diamante.
Los conceptos detrás de los siguientes acrónimos se han de comprender debido al impacto que ellos tienen sobre el uso cotidiano de la cámara infrarroja. Conocido como Campo de visión o de perspectiva, FOV 1. Puede ser descrito como el área más grande que una imagen puede encuadrar 29. FOV se define normalmente en grados horizontales por grados verticales, por ejemplo 23º x 17º, que definen los grados de medida angular y se asemeja a un rectángulo que crece exponencialmente desde un punto de origen situado en el centro.
Luego hay el Campo de visión instantáneo, IFOV Geo 2, representa el detalle más pequeño dentro del Campo de visión y que puede ser detectado a una distancia determinada. Por lo que, a ciertas distancias es posible que no puedan ser vistos ciertos detalles pequeños si se carece de un buen IFOV Geo. Generalmente, el IFOV Geo se mide en unidades mRad (miliRadianes), es decir, pequeñas fracciones de un grado angular. Adicionalmente, la Medición del campo de visión instantáneo o IFOV Measurement, que establece el detalle más pequeño el cual pueden obtenerse una medición de temperatura precisa a una distancia determinada. 29. Este valor es expresado igualmente en miliRadianes. Como norma, el IFOV Measurement suele ser de dos a tres veces más grande que el IFOV Geo ( 5 ). Esto quiere decir que con un IFOV Geo de 3,5 mRad a una distancia de 1 metro, el objeto identificable más pequeño tiene un tamaño de 3,5 mm y se muestra en el monitor como un píxel.
La siguiente fórmula se podría aplicar de forma general para conocer el objeto medible más pequeño (IFOV Measurement):
IFOV Meas. ? 3 x IFOV Geo
Existen portales web donde estos cálculos pueden obtenerse con solo establecer unos mínimos parámetros de distancia desde el instrumento de medición hasta el objeto y tamaño de la lente ( 6 ).
Fig. 3. Imagen donde se muestra la diferencia entre IFOV Measurement y Campo de visión o FOV.
Hoy en día, tanto los fabricantes de detectores de onda infrarroja así como las cámaras fotográficas ofrecen diferentes tipos de lente que permiten modificar los diferentes ángulos de campo de visión, FOV, IFOV y IFOV Measurement. No obstante, pueden hallarse dispositivos donde las lentes no sean intercambiables, en cualquier caso, debe quedar especificado en sus características. Algunas de estas lentes y sus ángulos horizontales son:
• El “ojo de pez”, para ángulos superiores a 180º.
• Gran angular, comprendido entre 100º y 60º.
• Ángulo estándar comprendido entre 50º y 25º.
• Teleobjetivo, entre los 15º y 10º.
• Súper-Teleobjetivo, entre 8º y menos de 1º.
Fig. 3. Imagen simulada que reproduce una lente tipo Teleobjetivo. El FOV sufre un aumento del zoom y un estrechamiento.
Fig. 4. Imagen simulada que reproduce una lente tipo Gran angular. El FOV abarca más amplitud.
Dos de las lentes más usadas en las inspecciones aéreas son la lente de gran angular y la lente teleobjetivo. Un gran angular, por ejemplo de 32º, ofrece un amplio FOV aunque con menor detalle. Esta opción es excelente si lo que se desea es obtener una imagen completa sin tener que retroceder, ideal para trabajar en espacios reducidos. La lente teleobjetivo aumenta la imagen y la representa ópticamente más cerca, por otro lado, también estrecha el campo de visión. Con un teleobjetivo, por ejemplo de 12º, se pueden medir detalles de forma precisa, incluso a una distancia larga. Cabe mencionar que no existe un único objetivo gran angular o de teleobjetivo, sino más bien una escala proporcionada que le da a la lente cada vez ángulos de visión más amplios.
1 FOV, «Field Of View».
2 IFOV Geo «Instantaneous Field Of View». También conocido como Resolución Espacial.
3 IFOV Measurement. También conocido como Resolución de medida o Marca de medición.
PONER TABLA 2 AKI, LO KE SERIA LA TABLA 1 DE AL
Cuando haga la tabla poner el apartado de precios justo debajo de la tabla.
http://www.dronesglobe.com/guide/thermal-drones/#sec1
4.11. Fuentes de error en la toma de imágenes termográficas
Para una correcta medición de la temperatura con cualquier dispositivo de medición térmica-infrarroja hay que considerar la conveniencia de proceder con la operación ante las siguientes condiciones adversas, y si es preciso, predecir y atenuar su impacto en los siguientes casos:
• Temperatura ambiente: Como se ha comentado un apartado anterior, aunque en muchas aplicaciones se considera la temperatura ambiente igual a la temperatura de reflexión (RTC), en muchos casos existe una diferencia de unos pocos grados Celsius. Siempre que haya una gran diferencia entre la temperatura ambiente y la del objeto a medir será preciso ajustar de forma correcta la emisividad a razón de la temperatura que irradia el objeto.
• Radiación celestial fría difusa: Describe la radiación infrarroja que llega desde el astro rey. En días despejados con el cielo raso esta radiación (~ -50 ºC a -60 ºC) se refleja durante el día. Al ser mayor el área del cielo que la del sol, la temperatura reflejada en la termografía en exteriores se sitúa por debajo de 0 ºC. (caso similar del anillo en la mano). Por lo tanto, un cielo nubloso presenta las condiciones ideales para medir en exteriores puesto que se reduce considerablemente la radiación celestial fría. Siempre que sea posible, es aconsejable realizar las operaciones de termografía a primera hora de la mañana, con cielo nublado evitando la luz directa del sol.
• Humedad: La humedad relativa 1 debe de ser baja con la finalidad de prevenir la condensación o vaho sobre el objeto o superficie a medir, en el filtro protector de la lente o en la propia lente, ya que impide la transmisión de la radiación infrarroja. La niebla espesa también afecta a la medición, ya que el rocío presente bloquea parte del canal de transmisión.
• Escarcha: Habitualmente la escarcha no forma una capa aislante, al contrario de la nieve o la humedad, por lo que se deberá considerar el valor de emisividad, tanto de la escarcha como de la superficie debajo de esta cuando se efectúa la medición. Además, la medición sobre objetos mojados generalmente es errónea.
• Corrientes de aire: Por el fenómeno de convección, el calor es arrastrado por el aire de un objeto caliente a otro de menor temperatura provocando un efecto de enfriamiento del primer objeto. Del mismo modo, en un espacio confinado, los flujos de corrientes de aire caliente emitidos por máquinas y la electrónica puede afectar considerablemente en la medición de la temperatura con la cámara termográfica. Se debe tener en cuenta la velocidad y la dirección de las corrientes de aire durante la medición, incluyéndose estos datos cuando se analicen las imágenes térmicas, así como anotar todas las condiciones ambientales importantes para tenerlas en cuenta en el post-análisis.
• Polución ambiente: Las materias que se hayan en suspensión y que producen un efecto cortina entre el instrumento de medición y la naturaleza del análisis, a menudo muestran un valor de emisividad elevado, caso de humo, el hollín o el polvo. A menudo impiden el paso fluido de la radiación infrarroja, hasta tal punto de poder hacer inviable la medición mediante termografía. Se medirá siempre a la menor distancia posible que permita el dispositivo.
• Interferencias físicas: Cuando sea necesario, se quitará cualquier envoltorio o aislante de la superficie a medir, de lo contrario, la cámara únicamente medirá la temperatura de la superficie de dicho envoltorio. Por otro lado, los pocos materiales con capacidad transmisora de onda infrarroja son el germanio y finas láminas de plástico.
• Luz: Algunas fuentes de luz que emiten radiación infrarroja puede alterar la temperatura de los objetos, por lo que, no se aconseja efectuar mediciones cerca de bombillas incandescentes. Caso contrario ocurre con los LEDs o luces frías, los cuales emiten energía en forma de luz visible y no como calor radiante.
• Reflexión especular: Fenómeno por el cual al incidir un rayo sobre una superficie lisa o pulida de un objeto, el rayo es reflejado y cambia su ángulo. Es un indicador de lo altamente reflectante que es ésa superficie. Por lo general, la emisividad de las superficies lisas, brillantes, reflectantes y/o pulidas es más baja que en las superficies mate, cuarteadas, rugosas o erosionadas. Se recomienda medir las superficies desde diferentes ángulos y direcciones para determinar qué irregularidades son atribuibles a la reflexión y cuales al objeto intrínseco. Se recomiendas ángulos entre los 15º y 40º. Tan solo un recordatorio, la reflexión puede desplazarse y cambiar de ángulo, mientras que los efectos térmicos se mantienen.
• Reflexión de diversas superficies: Fenómeno por el cual una superficie irregular refleja los rayos infrarrojos en varias direcciones distintas, provocando una reflexión difusa.
• Por limitaciones de la termografía: Las cámaras termográficas solo permiten obtener mediciones de las temperaturas superficiales, nunca las del interior o de doble fondo. Por lo que no se podría determinar el valor de temperatura de los elementos situados debajo de la superficie. A este efecto, se incluye en cristal o vidrio, por lo que la cámara no medirá la temperatura tras el vidrio sino solo la de la superficie del vidrio.
1 Humedad relativa (% HR), es un indicador en porcentaje de la cantidad de saturación de vapor de agua en el aire. Cuanto más caliente está el aire, mayor es la cantidad de vapor de agua que puede absorber sin llegar a condensar, por tanto, la condensación se produce primero en las superficies frías.
4.12. Funciones complementarias en cámaras termográficas
Existen alternativas de captación de onda que si bien, para según qué casos puede resultar una función complementaria muy valiosa dependiendo del tipo de inspección prevista a realizar. Por lo tanto, seleccionar una cámara termográfica con función radiométrica avanzada añadida es un factor crucial a considerar. Una cámara termográfica sin radiometría únicamente representa la composición de diferentes temperaturas mediante colores, pero no ofrece información sobre la temperatura en cada punto-píxel, con lo cual se hace imposible obtener la temperatura exacta así como la detección del punto caliente. A diferencia de las cámaras con función radiométrica que sí permiten la obtención de estos datos. En otras aplicaciones, tales como sistemas de seguridad, no es necesario obtener la temperatura en cada punto, solamente se requiere captar la diferencia de temperatura para identificar el intruso. Todas las cámaras que se muestran en la Tabla 2 añaden la función radiométrica.
Fig. 5. Muestra una captura de imagen termográfica con función radiométrica integrada. Imagen tomada con una cámara infrarroja FLIR TAU 2 336.
Otra de las funciones incluidas en los equipos más modernos, pero no en todos, es la capacidad de acoplar un sensor térmico conocido como RGB, Red-Green-Blue, el cual capta la imagen en el espectro de luz visible. Este sensor permite mostrar imágenes visuales, facilitando así la consiguiente tarea de interpretación de datos y posterior toma de decisiones. De la Tabla 2, las únicas que incluyen sensor RGB es la WIRIS 640 y 336. Las cámaras RGB que añaden un gimbal además del sensor termográfico tienen gran resolución, tal como la 24.3 Mpíxel SONY ILCE600 o 8.29 Mpixel 4 GoPro 4 K, con un precio alrededor de los 530 €.
Fig. 6. Muestra la imagen tomada desde una cámara con sensor RGB
PONER UNA COMPARACION DE FOTOS ENTRE RGB Y DIGITAL
No hay que olvidar que tanto el procesamiento de la imagen como el post-análisis de datos se configura en base al software para interpretar lo que la cámara capta. La calidad del software para procesar y analizar la imagen, así como el formato de la imagen que genera es un aspecto importante para poder establecer estándares competitivos. Si la imagen es en formato estándar, por ejemplo JPEG, BMP o TIFF, y respecto a los videos MPEG 4, MP4 o en estándar HDMI, en lugar de otros formatos menos usuales patentados por el software de la cámara, la transmisión de imágenes entre diferentes sistemas será mucho más rápido y fácil, ya que podrán ser analizados con un software externo. Algunos de los software encargados para el post-procesamiento de datos incluyen amplios recursos para facilitar la interpretación de imágenes, opciones para combinar algunas imágenes con el fin de crear una imagen panorámica o incluso combinar una imagen térmica con su correspondiente espectro de luz visible, es lo que se conoce como el modo Picture-in-Picture, PiP, es decir, cuando una imagen se muestra sobre otra. También se muestran diferentes opciones más de análisis de temperatura, puntos, áreas, diferencias, entre otras. Algunos ejemplos de los software usados en las cámaras de la Tabla 2 son FlirTools, Workswell Core Player y PI Connect, Testo IRSoft..
Precios de mercado
Respecto al diseño de las cámaras térmicas para su integración en los RPAs y considerando el gran número de aplicaciones en donde la termografía aérea es empleada, la tecnología está mejorando y desarrollándose aceleradamente y, el coste de estos dispositivos es ahora inferior que en el pasado.
El precio de las cámaras termográficas varía considerablemente dependiendo de la tecnología empleada y las funciones incluidas. Por ejemplo, dado que los precios pueden cambiar significativamente con desarrollos más modernos, el precio de las cámaras termográficas de la Tabla 2 oscilan desde los 2.500-6.000 € para cámaras de baja resolución hasta los aproximadamente 4.500-9.500 € para cámaras de alta resolución. La cámara Térmica Zenmuse XT, la cual es especial para volar, directamente integrada en los productos de la fabricante DJI, oscila desde los 7.500 hasta los 12.500 € dependiendo de las resolución y de las lentes. Todos los precios pueden ser consultados en las webs de los fabricantes o de vendedores homologados.
QUE ES LA FOTOGRAMETRÍA CON DRONES?
http://www.aerial-insights.co/blog/fotogrametria-con-drones/?utm_source=facebook&utm_medium=social-media&utm_campaign=blog
Referencias:
( 1 ) Vito D. Benefits of using termal cameras for drones + 5 best termal cameras to buy. Junio 2017. .
( 2 ) DJI News. .
( 3 ) Emissivity values for common materials. .
( 4 ) Academia Testo. Efectos sobre el resultado de la medición infrarroja. Último acceso, Agosto 2018. .
( 5 ) Fluke Thermography. Thermography terms explained: FOV, IFOV, IFOV Measurement. Marzo 2010. .
( 6 ) Optris infrared thermometers. .
https://www.flir.es/
