Marco Tulio Mata Jiménez
Profesor en el Doctorado de Ingeniería Eléctrica FIME / UANL mmata@gama. fime.uanl.mx
Existen varios tipos de vehículos no tripulados, los cuales pueden operar con varios niveles de autonomía. Este artículo aborda una revisión de los tipos de vehículos no tripulados más comunes, sean terrestres, aéreos o submarinos. Además, se presenta una propuesta para sintetizar controladores para vehículos no tripula-dos basados en modelos.
INTRODUCCIÓN
Los vehículos no tripulados (UVs, por sus siglas en inglés) son un importante paso evolutivo para incrementar la seguridad en un amplio rango de aplicaciones, que van de la observación pasiva a la interacción con el medio en el cual se desplazan. Para lograr este objetivo, dichos vehículos deben operar con cierto grado de autonomía. Esta autonomía puede ir de los vehículos remotamente operados (ROVs, por sus siglas en inglés) a los vehículos completamente autónomos (AVs, por sus siglas en inglés). Los vehículos remotamente operados utilizan técnicas desarrolladas para la tele-robótica y la tele-presencia, para navegación y control supervisadas por un operador, mientras que en los vehículos autónomos no hay operadores humanos, y necesitan incorporar en sus sistemas cierta “inteligencia”, así como un sistema de control autónomo sin supervisión humana. Los UVs (remotamente operados o autónomos) eliminan la necesidad de la presencia humana, por lo que resultan ideales para trabajos en sitios peligrosos o inseguros. Los vehículos no tripulados están siendo desarrollados para aplicaciones submarinas, terrestres y aéreas. Este artículo trata una revisión de estas tres áreas de vehículos.
VEHÍCULOS TERRESTRES NO TRIPULADOS
Los vehículos terrestres no tripulados (UGVs, por sus si-glas en inglés) son plataformas móviles (con ruedas o con patas), que son empleadas para extender las capacidades de los humanos, y operar en medios potencialmente hostiles. Existen dos clases generales de vehículos terrestres no tripulados: los tele-operados, que son controlados por operadores humanos, y los autónomos, cuyas decisiones de control son tomadas de manera automática, sin intervención de un operador. Los vehículos teleoperados son controlados por el operador vía un lazo de comunicación, el cual puede ser fibra óptica, un cable o radiofrecuencia. En este caso, todas las decisiones son tomadas por el operador basado en la retroalimentación de los sensores del aparato. Un ejemplo de UGVs teleoperado es un carro de juguete a control remoto. En contraste, los vehículos terrestres autónomos no dependen de un operador, y para esto deben tener la habilidad de obtener información del medio en el que se desplazan, a fin de navegar sin asistencia humana, evitar obstáculos y, eventualmente, detectar objetos de interés. Además, deben tener capacidad de adaptación a las condiciones cambiantes que los rodean, para lo cual han de utilizar la información recolectada por sus sensores, y ajustar sus planes de navegación. Todo lo anterior implica la limitante de hacerlo en tiempo real.
ÁREAS DE INVESTIGACIÓN
Las actuales áreas de investigación para este tipo de vehículos incluyen: control de robots, desarrollo de sen-sores, cálculo de trayectorias y movilidad mecánica. Un área de investigación que ha sido ampliamente estudiada es la locomoción a patas, dado que este tipo de movimiento presenta claras ventajas cuando el medio en el que se desplaza el vehículo es difícil. La aplicación de tal tipo de vehículos es extensa, y se incluye la desactivación de artefactos explosivos o la re-colección de muestras en ambientes extremadamente hostiles.
VEHÍCULOS SUBMARINOS NO TRIPULADOS
Los vehículos submarinos no tripulados (UUVs, por sus siglas en inglés) incluyen vehículos operados remotamente y vehículos submarinos autónomos. Los UUVs en general pueden ser utilizados en exploración en mar ultrapro-fundo o cuando el destino submarino es incierto, o bien cuando las condiciones del mar hacen peligrar una misión tripulada. De la misma manera que en los vehículos terrestres, en los vehículos submarinos no tripulados se hace la distinción entre los vehículos remotamente operados y los vehículos autónomos. Los vehículos remotamente operados trabajan conectados a un barco de soporte mediante un cable umbilical que transmite las señales de control y la energía necesaria para la ope-ración del vehículo, y obtiene a su vez las imágenes y otros datos de los sensores. Es importante hacer notar que los vehículos sub-marinos teleoperados son controlados continuamente, y para esto es necesario tener un lazo de comunicación confiable. El cable umbilical restringe las operaciones a una distancia próxima al barco soporte y en ocasiones causa enredos entre el vehículo y el cable. Para minimizar este tipo de problemas, se remueve el lazo entre la nave y el vehículo, eliminando las restricciones de maniobrabilidad y profundidad. Los vehículos sin cordón umbilical pueden operar en modo crucero, cuando se mueven continuamente durante una misión, o en modo suspendido, usados para inspecciones detalladas de objetos fijos. Esta distinción es importante por las leyes de control que deben ser utilizadas para dirigir el vehículo. En un medio submarino, las comunicaciones pueden llegar a sus-penderse, por lo que en ocasiones los vehículos utilizados deben tener un amplio grado de autonomía (vehículos submarinos autónomos, UAV, por sus si-glas en inglés), y la toma de decisiones debe darse mediante algún sistema de control embarcado. Los vehículos submarinos autónomos se emplean principalmente para la exploración profunda y el monitoreo ambiental. Las áreas de investigación actuales para los vehículos submarinos no tripulados incluyen: el desarrollo de sistemas de potencia ultra-eficientes, la síntesis de controladores basados en modelos más eficientes y la concepción de nuevos sistemas de comunicación.
VEHICULOS AÉREOS NO TRIPULADOS
Un vehículo aéreo no tripulado (UAV, por sus siglas en inglés) es una aeronave sin piloto. Estos vehículos pueden ser controlados a control remoto o bien seguir órdenes de vuelo pre-programadas mediante sistemas de control automático. Aunque su aplicación principal ha sido de carácter militar (misiones de observación, búsqueda y rescate o bombardeo de precisión), en el medio civil también resultan de utilidad para inspección forestal, vigilancia de tráfico o supervisión de líneas de transmisión o gasoductos. Estas aeronaves pueden ser aviones de ala fija, dirigibles o helicópteros. En general, como en los casos de los vehículos no tripulados terrestres y submarinos, los vehículos aéreos no tripulados se dividen en categorías, de acuerdo con su nivel de autonomía. En la mayor parte de las aplicaciones actuales los UAVs son teleoperados, como los llamados drones, que no son parecidos a aeronaves radiocontroladas, aunque los misiles de crucero pueden operar de forma autónoma, con base en la información del terreno, así como en la información obtenida de otras fuentes, como el sistema global de posicionamiento (GPS, por sus siglas en inglés). Una ventaja evidente de los UAVs (tanto teleoperados como autónomos) es que no tienen las limitaciones resultantes de la capacidad física del piloto. Las áreas de investigación comprenden el desarrollo de los sistemas de control de vuelo, concepción de sistemas de navegación y el diseño aerodinámico de aeronaves.
DESARROLLO DE CONTROLADORES PARA VEHÍCULOS NO TRIPULADOS
Un área de primordial interés cuando consideramos vehículos no tripulados es el control de navegación. El resultado de un control ineficiente de trayectoria puede tener resultados catastróficos, principalmente cuando el vehículo se desplaza en un medio hostil. Esto es más complicado aún en el caso del control de vuelo para los UAVs, dado que un titubeo en vuelo puede llevar a perder la aeronave; además, el sistema de control debe actualizarse a una frecuencia elevada. Actualmente, el Centro de Innovación, Investigación y Desarrollo en Ingeniería y Tecnología (CIIDIT), de la Universidad Autónoma de Nuevo León, cuenta con varios prototipos de vehículos no tripulados, en los cuales se implementarán algoritmos de control de navegación. Entre los prototipos se encuentran helicópteros y dirigibles a escala. Estos prototipos deben desempeñar ciertas funciones, a fin de cumplir sus tareas exitosamente. Estas funciones son: navegación, estabilidad y control del vehículo, sensado remoto, comunicaciones robustas. De éstas, el con-trol de navegación y la estabilidad son esenciales para el control de vuelo del sistema UAVs. Implícitas en estas dos funciones están el control de los accionadores y las leyes de control. El equipo de trabajo del laboratorio de mecatrónica del CIIDIT actualmente desarrolla leyes de control no lineales para controlar las funciones requeridas de los drones existentes. Estas leyes están basadas principal-mente en el conocimiento de la dinámica (generalmente no lineal) de los sistemas y la obtención de un modelo dinámico tanto para los dirigibles como para los helicópteros. Los modelos obtenidos están basados en expresiones lagrangianas para la energía del sistema. Mediante la utilización de estos modelos, se pretende diseñar estrategias de control para seguimiento de trayectorias y algún tipo de estabilización robusta para compensar posibles inexactitudes del modelo. Dichos algoritmos serán validados en pruebas experimentales sobre los prototipos existentes.
CONCLUSIÓN
Se presentaron las principales características de los vehículos no tripulados más representativos, así como los desafíos científicos más importantes para desarrollar plenamente esta tecnología. Como se menciona, las ventajas ofrecidas por los vehículos no tripulados son muy importantes, y en el futuro ciertas actividades dependerán del desarrollo tecnológico en esta área. La comunidad científica ha hecho grandes esfuerzos para mejorar el des-empeño de los vehículos no tripulados, pero aún queda mucho trabajo teórico para dotar a los vehículos de una autonomía total.
