Los drones han llegado para quedarse. Estos vehículos aéreos no tripulados, también conocidos como UAVs, están siendo protagonistas de la invasión rusa de Ucrania, tanto con modelos caseros adaptados por guerrilleros ucranianos y rusos para sorprender al enemigo como con vehículos de última generación y armamento devastador. Más allá de su uso militar, en el que también trabaja España, estos dispositivos pueden proporcionar múltiples servicios, ya sea para fumigar 240.000 metros cuadrados de cultivos en 60 minutos, obtener tomas espectaculares en películas o realizar labores de prevención de incendios y reforestación. 

Todos ellos, desde el más pequeño e inofensivo hasta el dron de ataque más avanzado, dependen en buena medida de sus sensores para explorar entornos y percibir obstáculos, siempre que no estén pilotados de forma remota. La mayoría de ellos utilizan GPS, navegación inercial y avanzados sistemas de comunicación, pero existen importantes limitaciones por el reducido campo de visión de los sensores y por su alto consumo de energía.

Para superar esas trabas, un grupo de investigación del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Hong Kong acaba de publicar un estudio en la revista Science Robotics en el que detalla el desarrollo y la fabricación de PULSAR. Se trata de un dron capaz de alcanzar una nueva cota de autonomía girando sobre sí mismo para obtener datos de su entorno y ahorrando energía para volar durante más tiempo o realizar otras tareas. Es algo crucial en labores como el rescate en entornos complejos o de difícil acceso, la cartografía o la exploración de cuevas, pero también puede ser clave en el desarrollo de nuevos drones militares. 

Mapa tridimensional

Detrás de esta revolucionaria investigación está Fu Zhang, profesor adjunto del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Hong Kong, que lidera al equipo responsable de PULSAR. Para lograr su objetivo apostaron por un sistema LiDAR (Light Detection and Ranging en inglés), con sensores que permiten determinar las distancias hasta un objeto o superficie utilizando haces de láser pulsado, y la autorrotación.

Así, este UAV rota sobre sí mismo varias veces por segundo en la dirección contraria a la de sus hélices, inducido por el contra-par del motor, para tener en todo momento clara su posición tridimensional y poder evitar todo tipo de obstáculos. Todo accionado a través de un único actuador, lo que permite un considerable ahorro de batería sin que el dron pierda agilidad o velocidad. Comparándolo con el gasto de energía de un cuadricóptero de dimensiones similares, con la misma carga útil y el mismo diámetro de hélice, los investigadores han calculado un consumo de un 26,7 % menos de energía.

PULSAR, llamado así por su similitud con el patrón de autogiro y barrido de un púlsar astronómico (una estrella de neutrones que gira muy rápido y que está altamente magnetizada), integra las capacidades de percepción, cartografía, planificación y control a bordo sin necesidad de instrumentos externos. Al girar 360 grados sin descanso, está registrando el entorno constantemente.

Para comprobar la eficacia del dispositivo, Zhang y su equipo sometieron al dron a diversas pruebas y experimentos, todos ellos superados con éxito. Estos tests demostraron la capacidad de PULSAR de detectar obstáculos tanto estáticos como dinámicos en tiempo real, en espacios interiores y en exteriores. También consiguió volar de forma autónoma en entornos complejos, incluso en condiciones de total oscuridad.

Resistencia al viento

No fueron las únicas pruebas. El UAV también demostró su capacidad para resistir las perturbaciones provocadas por el viento. Gracias a unos ventiladores industriales, los ingenieros demostraron que con una velocidad máxima de viento de 4,5 m/s, el PULSAR es capaz de mantener la posición de vuelo estacionario en un área reducida. Este avance lo hace más seguro y fiable en zonas no controladas o registradas previamente, como puede ser una cueva inexplorada o un edificio tras un terremoto.

Las cifras hablan por sí solas. A pesar de su reducido tamaño, con un diámetro de 37,6 cm, una altura de 27,6 cm y una capacidad de batería de polímero de litio de 1850 mAh, este dron de poco más de un kilo de peso logró un tiempo de vuelo estacionario de más de 12 minutos. Según los cálculos de Zhang, sin el sensor LiDAR y con una hélice y una batería más grandes ese rango puede ampliarse hasta más de 40 minutos.

Y esto es sólo el principio, ya que su objetivo es que PULSAR sea el punto de partida para el desarrollo de nuevos drones autorrotatorios. "Creemos que facilitará la investigación de métodos de control de UAV en rotación de alta velocidad y técnicas de localización y mapeo simultáneos (SLAM) en movimiento agresivo", aseguran los investigadores en el artículo.

Navegación en enjambre

La investigación en torno a los drones está en pleno apogeo y los hallazgos se suceden cada vez con mayor frecuencia. Hace unos meses, científicos de la Universidad china de Zhejiang presentaron otro avance para mejorar la navegación autónoma de los drones. En este caso, de todo un enjambre de 10 diminutos UAVs: compartieron en tiempo real los datos recogidos por las cámaras de cada uno de ellos para poder moverse por un bosque de bambú sin intervención humana. 

Con este método, si un dron tiene bloqueado el camino por un obstáculo, puede utilizar la información recogida por los demás elementos del enjambre para trazar una nueva ruta o corregir su rumbo. Otra mejora interesante que ofrece esta tecnología es que puede utilizarse para que los drones sigan a una persona caminando por un entorno complejo. De esta manera, si uno de ellos la pierde de vista, las cámaras de los demás sirven para recuperar el rastro.

Así, los drones comparten datos para planificar rutas y seguir objetivos, algo especialmente útil según los investigadores "en catástrofes naturales como terremotos e inundaciones". En esas situaciones, un enjambre de drones autónomo puede buscar, guiar y entregar suministros de emergencia a personas atrapadas. "Por ejemplo, en incendios forestales, los ágiles multicópteros pueden recopilar rápidamente información desde una vista cercana de la primera línea sin riesgo de lesiones humanas", señalan. Todo un descubrimiento que puede suponer un antes y un después en el desarrollo de estos dispositivos voladores y que, a buen seguro, también tendrá su correspondiente desarrollo militar.

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