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¿Cómo hace un dron para quedarse quieto en el aire sin que nadie lo sostenga?

Categoría: Tecnología

En 1907, una máquina francesa de cuatro brazos con ocho hélices se despegó del suelo unos 60 centímetros. Pero no volaba sola: cuatro hombres la sujetaban con palos para que no se volcara [1]. Hoy un dron se queda parado en el aire sin que nadie lo toque. La respuesta corta: no está quieto en absoluto. Mide su inclinación y corrige los motores una y otra vez, centenares de veces por segundo, y para saber dónde está usa tres «ojos» distintos. Vamos paso a paso.

1. En 1907 hicieron falta cuatro personas para que una máquina de cuatro brazos no se volcara

La máquina se llamaba Breguet-Richet Gyroplane I. Se levantó del suelo con su propio motor y llegó a unos dos pies (61 centímetros) de altura. Pero no fue un vuelo libre: cuatro hombres, en tierra, la mantenían en posición con palos para que no se inclinara [1]. Dicho de otro modo, subir era posible; mantenerse estable era otro problema, y lo resolvían personas.

Ese problema tardó mucho en tener solución. Según una explicación técnica de Andrew Gibiansky, los cuadricópteros (helicópteros de cuatro rotores) se quedaron estancados durante décadas porque controlar cuatro rotores independientes resultaba muy difícil, casi imposible sin ayuda electrónica. Lo que cambió el panorama fue el abaratamiento de los microprocesadores [2]. Esa es la pista de todo el artículo: lo que sostenía el aparato en 1907 eran manos; hoy son sensores y un procesador pequeño.

2. Por qué las hélices de un dron giran en sentidos opuestos y así el aparato no da vueltas sobre sí mismo

Cuando una hélice empuja el aire hacia abajo, el aire también «empuja de vuelta» y trata de hacer girar al aparato en sentido contrario. Un helicóptero normal tiene un rotor grande y compensa ese giro con un rotor pequeño en la cola. Un cuadricóptero lo resuelve de otra forma: dos de sus hélices giran en un sentido y las otras dos en el contrario, de modo que los giros se anulan entre sí [2]. Las hélices vecinas giran en sentidos opuestos, y las que están en esquinas opuestas (en diagonal) giran en el mismo.

Y tampoco hace falta ninguna pieza mecánica complicada para dirigirlo. Un helicóptero convencional necesita un mecanismo llamado plato oscilante para inclinar sus palas, mientras que en un cuadricóptero basta con cambiar la velocidad de cada motor [2]. Si las dos hélices de delante giran un poco más rápido que las de atrás, el dron se inclina; si las hélices de un sentido giran más rápido que las del otro, el dron gira sobre sí mismo y cambia de dirección.

Una manera sencilla de imaginarlo es una mesa con cuatro patas que empujan hacia arriba: si una pata empuja más, esa esquina sube. Eso es solo una imagen; los detalles reales dependen del diseño de cada dron.

3. Por qué «quedarse quieto» significa corregir la inclinación centenares de veces por segundo

Mantenerse en el aire con el peso exactamente compensado por el empuje de las hélices se llama vuelo estacionario. No es un estado de reposo sino un equilibrio que se corrige sin parar.

Para saber cuánto se ha inclinado, el dron lleva sensores de movimiento (giroscopio y acelerómetro). El procesador usa esa información en capas: primero compara la inclinación que el piloto quiere con la que hay y calcula con qué rapidez debe girar el aparato; después compara esa rapidez deseada con la real y decide cuánta potencia dar a cada motor [4]. PX4 describe lo mismo con otras palabras: los controladores están en capas, y cada uno entrega su resultado al de más abajo [3].

¿Con qué frecuencia lo hace? En el software ArduPilot, en las placas tipo Pixhawk, esa actualización ocurre 400 veces por segundo, es decir, una vez cada 2,5 milisegundos [4]. Otros programas y otros drones usan frecuencias distintas, y en los drones comerciales suele no publicarse el dato. Por eso no se puede decir «todos los drones corrigen X veces por segundo»: lo que sí muestran estos documentos es que el orden de magnitud son cientos de veces por segundo.

4. Por qué mantenerse nivelado no basta para quedarse en el mismo sitio

Aquí viene algo que sorprende. Un dron que solo corrige su inclinación puede estar perfectamente horizontal y, aun así, irse a la deriva con el viento. El modo «Stabilize» de ArduPilot hace justo eso: nivela automáticamente el aparato, pero no mantiene la posición, y quien lo pilota tiene que devolverlo a su sitio con los mandos [5]. Los desarrolladores recomiendan otros modos a quien está aprendiendo, porque así se tienen menos accidentes [5].

El modo que sí mantiene el lugar se llama «Position» en PX4. Cuando se sueltan los mandos, el dron frena solo, se nivela y se queda fijo en un punto del espacio tridimensional, compensando el viento y otras fuerzas [6]. Para eso necesita saber dónde está, y ahí entran sensores distintos de los de la inclinación. La idea clave: una capa del control se ocupa de no volcarse y otra, más externa, se ocupa de no desplazarse.

5. Cómo sabe un dron a qué altura está y en qué punto del suelo se encuentra

La altura se estima, sobre todo, con un barómetro: a mayor altura, menor presión del aire, así que un cambio de presión indica un cambio de altura. Este sensor es mejor para detectar cambios que para dar una altura exacta, porque la presión también varía con el tiempo atmosférico (esta explicación es general y no viene de una de las fuentes de la lista).

Para la posición en el plano horizontal, el dron suele usar el GPS (o, más en general, un sistema de navegación por satélite). Las páginas oficiales del gobierno de Estados Unidos sobre el GPS indican que un teléfono con GPS suele tener un error de unos 4,9 metros de radio a cielo abierto, y que empeora cerca de edificios, puentes y árboles [7]. Con receptores de doble frecuencia o sistemas de refuerzo se llegan a conseguir unos pocos centímetros [7]. Esa cifra del teléfono es solo una referencia de la precisión del GPS; no es la precisión con la que un dron se mantiene en el aire.

El tercer «ojo» es una cámara que mira hacia abajo, junto con un medidor de distancia al suelo. Observa cómo se mueve el suelo bajo el dron (flujo óptico) y de ahí calcula su velocidad. Sirve incluso sin GPS, por ejemplo dentro de edificios [8]. Cada sensor tiene un punto débil, y por eso se combinan: unos cubren lo que a otros les falla.

6. Qué hace el dron cuando sopla el viento: inclinarse hacia el viento para no moverse

La posición del dron se controla con la fuerza de empuje de las hélices, y esa fuerza apunta en la dirección en que se inclina el aparato. Por eso, la forma más natural de resistir el viento es inclinarse un poco hacia el lado de donde viene, de manera que una parte del empuje empuje horizontalmente contra el viento. Cuando las dos fuerzas se igualan, el dron se queda en su sitio. Esto es un razonamiento de equilibrio de fuerzas, no un dato medido en un dron concreto: no encontré una fuente que indique cuántos grados se inclina un dron real con cada viento.

Es como cuando caminas contra un viento fuerte y te inclinas hacia delante. La diferencia es que el dron no usa los pies sino las hélices.

Inclinarse tiene un precio: parte del empuje ya no sostiene el peso. Por eso los fabricantes fijan un viento máximo para volar, y a partir de ese límite el dron no logra compensar. Los controladores PID incluyen además un término «integral» que va sumando los errores pequeños y persistentes para corregirlos (explicación general, no tomada de una fuente concreta de la lista).

7. Cómo probar en casa la idea de «medir y corregir» con una regla

Con un adulto cerca, en un espacio despejado y con una regla ligera de plástico (de unos 30 a 50 centímetros, sin puntas afiladas), intenta mantenerla de pie sobre la palma de tu mano. Notarás que no basta con mantener la mano quieta: tienes que ver cómo se inclina y mover la mano un poquito, una y otra vez. Esa es la misma idea que usa un dron, solo que su «mano» corrige muchas veces por segundo. No pasa nada si se cae; con que se mantenga unos segundos ya has hecho la prueba.

Después puedes buscar en las páginas de PX4 o de ArduPilot (están en inglés) el esquema de las capas del control: posición, velocidad, inclinación y velocidad de giro [3][4].

Fuentes

Todas las fuentes están en inglés. Se leyeron las páginas web indicadas en la parte que se cita. El artículo de Stanford (Hoffmann et al., 2007) no se pudo abrir y no se usa. El dato de la altura del barómetro es una explicación general sin fuente concreta.

  1. Transportation History, «1907: A Unique and Forward-Looking Aircraft Took Its First Flight» (2019). https://transportationhistory.org/2019/11/13/1907-a-unique-and-forward-looking-aircraft-took-its-first-flight/ (texto completo, es una nota breve; el Gyroplane I, los 61 cm y los cuatro hombres con palos.)
  2. Andrew Gibiansky, «Quadcopter Dynamics and Simulation». https://andrew.gibiansky.com/blog/physics/quadcopter-dynamics/ (solo se leyó la introducción en esta consulta; es el blog de un ingeniero, no una publicación revisada por pares. Cuadricópteros frente a helicópteros, plato oscilante, microprocesadores. La disposición de hélices contrarias se apoya además en esa explicación general de torques opuestos.)
  3. PX4 Guide, «Multicopter PID Tuning Guide (Manual/Basic)». https://docs.px4.io/v1.15/en/config_mc/pid_tuning_guide_multicopter_basic (solo se leyó el comienzo de la página: los controladores PID están en capas, de la velocidad de giro a la inclinación y a la posición.)
  4. ArduPilot Dev, «Copter Attitude Control». https://ardupilot.org/dev/docs/apmcopter-programming-attitude-control-2.html (solo se leyó el comienzo: error de ángulo → velocidad de giro → orden al motor; 400 Hz en Pixhawk.)
  5. ArduPilot Copter, «Stabilize Mode». https://ardupilot.org/copter/docs/stabilize-mode.html (solo se leyó el comienzo: nivela alabeo y cabeceo; recomienda otros modos a quien aprende. Que no mantiene la posición se deduce de que solo nivela y sugiere modos con retención.)
  6. PX4 Guide, «Position Mode (Multicopter)». https://docs.px4.io/main/en/flight_modes_mc/position (solo se leyó el comienzo; al soltar los mandos el dron frena, se nivela y queda fijo compensando el viento.)
  7. GPS.gov, «GPS Accuracy». https://www.gps.gov/gps-accuracy (página oficial del gobierno de EE. UU.; 4,9 m a cielo abierto, peor cerca de edificios; centímetros con doble frecuencia o refuerzo.)
  8. PX4 Guide, «Optical Flow». https://docs.px4.io/main/en/sensor/optical_flow.html (solo se leyó el comienzo: cámara y medidor de distancia hacia abajo, útil sin GPS.)