Levantamiento con drones con vientos de 45 km/h

A medida que la topografía con vehículos aéreos no tripulados se hace más popular, los topógrafos quieren sacar cada vez más partido a sus drones en situaciones cotidianas. En algunos lugares, especialmente en los entornos alpinos o costeros, esto significa realizar mediciones en condiciones de mucho viento. Es una práctica habitual que los fabricantes de vehículos aéreos no tripulados afirmen que tienen una gran tolerancia al viento, pero ¿cómo se aplica esto en la vida real?

El límite de viento especificado en Marlyn es de 45 km/h para el despegue y el aterrizaje en modo helicóptero, y de 55 km/h para la misión cartográfica propiamente dicha en modo avión. Para demostrarlo en un entorno real, este documento describirá un estudio que se llevó a cabo en las condiciones de viento cercanas a los límites que se recomiendan a los usuarios de Marlyn . Esto sirve para demostrar que Marlyn puede volar a estas altas velocidades de viento, y para mostrar el mínimo efecto que esto tiene en los datos de la encuesta, mostrando así su aplicabilidad como una herramienta de encuesta diaria.

Introducción a la zona de la encuesta

Este vuelo se realizó el 27 de octubre de 2020 en Atmos' Sede y campo de pruebas en Valkenburg, Países Bajos, cuya ubicación se muestra a continuación.

Hasta 2006,esta sitio fue utilizada por la Marina Real Holandesa como base aérea para su flota de 13 aviones Lockheed P-3 Orion. La ubicación costera de Valkenburg la convirtió en el lugar ideal durante la Guerra Fría para que los P-3 cazasen submarinos soviéticos que operaban en el Mar del Norte y el Canal English , y hoy en día, se utiliza como espacio aéreo abierto para que las empresas de drones prueben y desarrollen sus productos.

La ubicación de Valkenburg, a sólo 3 km de la costa, también la hace ideal para probar un dron en condiciones de viento fuerte. Durante aproximadamente dos tercios (227 días) del año, el viento frío del Mar del Norte tiene rachas superiores a los 30 km/h (según los datos de viento del cruce visual).

Desde 2013, todos los drones que han salido de la fábrica de Atmos se han sometido a pruebas previas al envío en este lugar. Así pues, para poder probar, producir y enviar drones de forma eficaz, Marlyn debe ser capaz de tolerar vientos fuertes en cada misión de cartografía sin que se produzca una degradación significativa en el rendimiento del estudio.

La tarea de la encuesta

Los datos recogidos en este proyecto eran una encuesta estándar realizada como parte de una prueba de vuelo de inspección previa a la entrega, en la que se realiza una misión de cartografía para garantizar que el dron realice encuestas precisas nada más sacarlo de la caja. Sólo si el resultado de este estudio está dentro de los estándares de calidad requeridos, se puede enviar el sistema, en este caso concreto para un cliente de Tailandia.

Para esta misión específica, se determinó que la tarea de reconocimiento consistía en tomar un modelo digital del terreno de la antigua pista de rodaje y la línea de vuelo que se muestra en la imagen anterior. En el área de estudio se incluyeron varios puntos conocidos que debían actuar como puntos de control y comprobación para verificar la precisión absoluta del modelo. El vuelo debía realizarse a 110 m de altitud, lo que suponía una distancia de muestreo del terreno (GSD) de 1,45 cm/px. El área total de estudio era de 21Ha.

Por lo tanto, la tarea de encuesta era un área simple y pequeña que se puede suponer que replica una encuesta diaria que es realizada por un usuario en el campo.  

El dron

El dron utilizado para esta prueba fue el Marlyn de Atmos. El Marlyn utilizado para esta prueba estaba equipado con la cámara Sony RX1RII 42MP RGB, con el módulo Septentrio AsteRx-m2 PPK instalado.

Previsión de viento

Como se muestra en la imagen siguiente, la previsión de viento en el lugar de vuelo ese día se mostraba en color azul claro, que la leyenda indica como 25 nudos (45km/h o 12,5m/s).Esta previsión también muestra sólo la velocidad media del viento sostenido, por lo que también se puede suponer por experiencia que las rachas de viento localizadas superarán los 55km/h (15m/s) durante tramos cortos del vuelo.

Por lo tanto, en este día concreto, la previsión de viento a 100 metros sobre el nivel del suelo mostraba rachas de viento que llegaban a superar el límite de 45 km/h del dron. Dado que Marlyn había demostrado en múltiples ocasiones que era capaz de operar con seguridad en estas condiciones, se tomó la decisión de realizar el vuelo a pesar de que los vientos estaban al límite de lo que Marlyn estaba diseñado para soportar.

A la hora de planificar un vuelo con un UAV es conveniente trabajar con las previsiones de la aviación a 100 metros de altura en lugar de las previsiones normales a nivel del suelo, debido a las diferencias en la fuerza y a veces incluso en la dirección del viento entre esas dos altitudes. A nivel del suelo, el viento está dentro de lo que se conoce como "capa límite", lo que significa que la fricción con objetos como el terreno, los edificios y los árboles, hace que la velocidad del viento sea menor que la que experimenta el dron en vuelo. Por lo tanto, cuanto más lejos del suelo, menor será el efecto de esta fricción y mayor será la velocidad del viento. Un ejemplo visual de esto se muestra arriba.

¿Qué significa esto para un dron? Dependiendo de las condiciones locales, la velocidad del viento a la altitud del modo helicóptero de Marlynpuede ser hasta el doble de la velocidad del viento a nivel del suelo.

Para relacionar esto con nuestra previsión, aunque la velocidad base del viento en altitud era de 45 km/h, la lectura en tierra era algo menor, alrededor de 35 km/h. Esto subraya la importancia de comprobar siempre la previsión correcta, y la importancia de tener un dron que pueda soportar límites de viento más altos si las circunstancias cambian.

El vuelo de reconocimiento con drones

El vuelo en cuestión era un simple mapa de corredores para permitir a Marlyn cubrir el área de estudio. Puede ser interesante para el lector observar que Marlyn utiliza un mapa de corredores mejorado, lo que significa que durante un giro de 90 grados como el que se muestra aquí, el dron está programado para seguir tomando fotos y conservar el solapamiento frontal y lateral especificado, evitando así que se pierda tiempo dando vueltas y volviendo a entrar en la segunda parte del corredor.  

Los parámetros del estudio utilizaron una altitud de mapeo de 110 m, altitudes de transición VTOL de 70 m y un solapamiento lateral del 60%. El solapamiento frontal en este estudio se preconfiguró utilizando un intervalo de tiempo de 1 Hz para la captura de imágenes con la velocidad del dron regulada para mantener un solapamiento frontal mínimo del 70%. En el software Marlyn, el usuario tiene la opción de realizar esta captura de imágenes basada en el tiempo o una captura de imágenes basada en la posición, en la que el porcentaje de solapamiento frontal puede ser ajustado por el usuario antes del vuelo.

También se muestra una indicación de la dirección del viento, típicamente los mejores resultados en vientos fuertes se obtienen cuando el viento está a aproximadamente 45 grados con respecto a las líneas de vuelo, lo que se aproxima a la situación de la mayor parte del vuelo en este caso.

El vuelo también se planificó con un ajuste de seguridad de la batería de retorno al hogar del 20%, pero debido a la duración relativamente corta (10 minutos) del vuelo, estaba dentro del tiempo de vuelo posible de Marlyn, por lo que no sería necesario.  

En vuelo

A continuación se muestra un extracto de los datos del piloto automático durante el vuelo de mapeo. Las líneas en azul oscuro muestran la diferencia entre la velocidad del aire (la velocidad que el dron "ve" a través de las mediciones de su tubo pitot), y la velocidad del suelo (la distancia real que Marlyn está cubriendo en el suelo, determinada por el GPS). Como ejemplo para entender esta diferencia, un dron situado en un túnel de viento en funcionamiento con un flujo de 20km/h tendrá una velocidad del aire de 20km/h, pero una velocidad del suelo de 0km/h. Por lo tanto, al restar la velocidad del aire y la del suelo, se puede generar una imagen muy precisa en tiempo real de la velocidad del viento, especialmente para aquellas partes del vuelo en las que el dron vuela contra el viento.

El gráfico azul oscuro de velocidad del aire-velocidad del suelo muestra una gran variación de picos y valles durante el vuelo, que proviene de las diferentes partes del estudio en las que el dron apunta contra el viento o a favor del viento. Lo más importante son los picos de este gráfico, que muestran las velocidades máximas de las ráfagas de viento que se encuentran durante las partes del vuelo en las que Marlyn vuela contra el viento, porque estos son los puntos en los que se obtiene una indicación de la verdadera velocidad del viento.  

Este gráfico muestra que durante el vuelo Marlyn experimentó ráfagas de viento de hasta 57km/h, en múltiples ocasiones de hasta 50km/h, y una velocidad media sostenida del viento de 35-45km/h. Por lo tanto, se puede suponer que la información de vuelo y los datos mostrados representan los valores de viento altos que se incluyen en la especificación de Marlyn.

Aterrizaje

El aterrizaje es la principal preocupación cuando se opera un ala fija con vientos fuertes, ya que es la parte del vuelo en la que el control total es más necesario, y también la más difícil de conseguir. Por ello, después de que Marlyn descienda a 20 m de altura sobre el suelo, el resto del aterrizaje lo realiza el usuario manualmente con el RC de Marlyn(de forma similar a un dron multirrotor). El vídeo del aterrizaje de este vuelo exacto se puede encontrar aquí, que sirve también como un gran ejemplo de cómo aterrizar con vientos fuertes.

Para permitir un control completo con vientos fuertes, Marlyn tiene un control de cuádruple rotor en el modo helicóptero, que proporciona un control total en los 6 grados de libertad, con puntas de ala giratorias para proporcionar pequeños ajustes de cabeceo, balanceo y guiñada en tiempo real. Cuando se aterriza un dron VTOL es extremadamente importante aterrizar sólo con velocidad vertical (es decir, sin movimiento horizontal), por lo que este nivel de control es muy importante para las operaciones con mucho viento. Marlyn también está diseñado para inclinarse hacia el viento en un ángulo de 40 grados o más, de modo que cuando la primera pata de aterrizaje toca el suelo, los motores reducen la potencia y la fuerza del peso del dron lo obliga a aterrizar sobre su base estable en forma de cruz. Esto hace que el comportamiento de rebote y vuelco que se experimenta con otros VTOL sea muy poco probable, incluso con vientos muy superiores al máximo de 30 km/h que restringen esos productos.

Posprocesamiento (datos de la encuesta con drones)

Tras el vuelo, los resultados fueron procesados por el PPK utilizando el software Atmos Geotagger (se puede encontrar un tutorial sobre el mismo aquí). Para tener en cuenta las desviaciones debidas al viento, también se extrajeron los ángulos de orientación del dron en cada momento para utilizarlos en la etapa de fotogrametría. El resultado fue un conjunto de imágenes y geoetiquetas que se procesaron con Agisoft Metashape; el sistema de coordenadas utilizado fue Amersfoort / RD New (EPSG::28992). Para los datos RINEX, se obtuvo una estación de referencia virtual (VRS) de 06-GPS, un proveedor holandés de datos GNSS.

El informe de calidad de este trabajo de procesamiento puede descargarse aquí, pero también se resume a continuación. Para descargar el conjunto de imágenes geoetiquetadas para su propio procesamiento, también puede hacer clic aquí.

Resultados de la encuesta

Para mantener la utilidad, no basta con poder volar con viento, sino que los resultados de la encuesta deben ser indistinguibles de los obtenidos en un día sin viento, manteniendo al mismo tiempo una precisión de grado de encuesta.

En primer lugar, hay que considerar el nivel de solapamiento de las imágenes. Se puede ver en el resultado anterior que, en toda la zona de estudio, el solapamiento de imágenes necesario seguía estando dentro de los niveles requeridos (9 imágenes o más) para un estudio preciso. El resultado es un modelo de 526.208 puntos de enlace en la zona de 23,6 Ha.

Esto es de especial interés debido a los fuertes vientos. Si un dron de ala fija sólo tiene una hélice en modo avión, el dron debe "inclinarse" lateralmente hacia el viento para contrarrestar la fuerza de un viento cruzado y mantenerse en la línea de vuelo, lo que tiene un efecto negativo en el solapamiento que puede lograrse. Marlyn "se inclina" a lo largo de una línea de vuelo, y el hecho de tener 2 motores de vuelo significa que puede corregir su curso para mantenerse en la línea de vuelo mientras mantiene las imágenes nadir con el suelo, lo que resulta en el alto solapamiento entre las imágenes que se ve arriba. Además, esto da lugar a una trayectoria de vuelo extremadamente estable a lo largo de la misión, como muestra la trayectoria de las ubicaciones de las imágenes.

También hay que destacar la cartografía mejorada del corredor en acción. Se puede ver que la trayectoria de vuelo de Marlyn corta ligeramente la esquina en el corredor, lo que significa que durante el giro se siguen manteniendo los niveles de solapamiento requeridos, y que las imágenes siguen cubriendo el área de estudio requerida.

Por lo tanto, si se observan estrictamente las líneas de vuelo y el nivel de solapamiento, se puede postular que sería difícil distinguir este conjunto de datos de viento fuerte de uno que se haya realizado en un día más tranquilo.

Para este proyecto, se utilizaron un total de 11 puntos conocidos tanto para reforzar la calidad del modelo como para verificar la precisión absoluta. Estos se dividieron entre 6 puntos de control en tierra y 5 puntos de control. A continuación se muestran los errores resultantes de cada punto de control;

Como se desprende de los puntos de control, los niveles de precisión absoluta son satisfactorios para una misión de prospección con vehículos aéreos no tripulados. Como regla general, las precisiones absolutas de un levantamiento con UAV suelen ser de 2 a 3 veces la GSD en la horizontal (X,Y) y hasta 5 veces la GSD en la vertical (Z). En este caso, los errores en X e Y se sitúan dentro de los 2 veces la GSD de 1,45 cm, y los errores en Z se acercan incluso a 1 vez el nivel de GSD, lo que resulta impresionante si se tiene en cuenta que la zona de medición era en su mayor parte una zona plana de asfalto sin muchas características importantes a partir de las cuales establecer puntos de enlace precisos.

Por lo tanto, de estos resultados también se puede concluir que los niveles de precisión que se pueden obtener de un estudio con mucho viento son casi indistinguibles de los que se obtienen en un día más tranquilo, y también están dentro de lo que se considera una precisión de alto grado para un estudio con UAV.

Conclusión:

El límite de viento especificado en Marlyn es de 45km/h en modo helicóptero y 55km/h en modo avión. Lo que demuestra este ejemplo es que, efectivamente, es posible que un topógrafo vuele cómodamente con Marlyn a estas altas velocidades de viento, y que además obtenga datos con un grado de precisión muy elevado.

Hay que tener en cuenta que siempre hay que tener consideraciones adicionales cuando se vuela con vientos fuertes, e incluso con Marlyn los usuarios deben ser conservadores y estar atentos a que los niveles de viento se mantengan dentro de las especificaciones del dron. No obstante, los datos demuestran la utilidad y la aplicabilidad de Marlyncomo herramienta de reconocimiento diario en entornos con viento (y sin él).

Por lo tanto, de estos resultados también se puede concluir que los niveles de precisión que se pueden obtener de un estudio con mucho viento son casi indistinguibles de los que se obtienen en un día más tranquilo, y también están dentro de lo que se considera una precisión de alto grado para un estudio con UAV.