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Integración de cámaras giroestabilizadas en RPAS ligeros

Rodrigo Valdivieso

Rodrigo Valdivieso

AERTEC Solutions / RPAS

Hay quién dice que una aeronave no tripulada (dron, UAV o RPAS) no es más que una máquina voladora que acarrea una cámara …de forma simplista es cierto, pero entonces también es cierto que todas las cámaras no son más que meras capturadoras de datos, y a su vez, que los datos no son más que ruido que hay que procesar. Al final, es una cadena y todos sus eslabones deben funcionar perfectamente. Pero centrémonos en esta ocasión en la parte de los sensores…

En las misiones de observación y vigilancia con RPAS (comúnmente denominadas misiones ISR por las siglas Intelligence, Surveillance and Recoinassance), la elección del sensor de imagen es fundamental. Tanto la selección como la integración de sensores o cámaras específicas para observación en sistemas aéreos no tripulados (RPAS) requiere un equilibrio bien medido entre muchos factores limitantes (que no siempre son evidentes) impuestos tanto por la aeronave, como por la capacidad del propio sensor, como por las características operativas de la aeronave e incluso por políticas del país en el que se fabrique el sensor.

Las distintas misiones que puede realizar un RPAS tienen condicionantes e incluso objetivos diferentes, por lo que el rango de requisitos que definen al mejor sensor posible es muy amplio.

En general, lo que siempre se busca es integrar el mejor sensor posible en un sistema aéreo que ya de por sí está bastante adaptado y limitado a un tipo de misiones concretas (para más detalles sobre la importancia de un diseñado adaptado a la misión en un RPAS se recomienda leer aquí el post “RPAS y sistemas de suma cero”)

En los casos de RPAS para misiones de observación suele ser fundamental que el sensor de imagen esté integrado en una plataforma giroestabilizada, carenada y con movimientos independientes a la aeronave comúnmente denominado gimbal, bola o torreta.

Puesto que diferentes misiones tienen diferentes condicionantes y puesto que, además, la misma misión puede tener objetivos diferentes, el rango de requisitos que definen al “mejor sensor posible” son tremendamente variables, pero por razones prácticas y lógicas no se puede contar con un rango infinito de ellos y por este motivo se debe llegar siempre a un compromiso en la elección del mismo.

El compromiso en la elección de un sensor atiende, como se ha mencionado, a muchos tipos de limitaciones impuestas por el sistema, por el propio sensor y hasta por el tipo de operación.

Los principales factores limitantes son:

Limitaciones de peso y tamaño. Obviamente el sensor debe tener una integración espacial dentro de la aeronave (aunque normalmente una parte del sensor suele sobresalir fuera del fuselaje de la aeronave) que no altere de una forma descontrolada su aerodinámica de vuelo ni suponga un problema o un peligro para otras funciones de la aeronave.

De la igual manera, el peso del sensor debe estar dentro de los límites de carga admitidos por la aeronave. Sólo atendiendo a este factor de peso del sensor, ya nos podemos encontrar con nuevas limitaciones de posicionamiento. El sensor sólo puede colocarse en un rango de posiciones limitado para que el correspondiente cambio del centro de gravedad (CoG) de la aeronave se mantenga dentro de sus límites tolerables estipulados por el diseño del fabricante. Una colocación del sensor demasiado adelantada o demasiado atrasada puede inducir irremediablemente a la pérdida de la aeronave en vuelo.

Limitaciones de comunicación, consumo y refrigeración.

El sensor necesita comunicarse, alimentarse y refrigerarse. La refrigeración no suele ser un problema para la parte de la bola que asoma fuera del fuselaje, pero para la parte interna hay que planificar las correspondientes entradas y salidas de aire para evitar que se queme o que se acorte su vida útil.

La alimentación y la comunicación con otros elementos dentro de la aeronave se resuelve mediante el correspondiente cableado, pero igualmente hay que tener en cuenta sus conductos de paso, y los menos evidentes, pero casi inevitables apantallamientos de señal (producidos por tornillería, placas metálicas o de fibra de carbono), posibles zonas de interferencia cruzada. Igualmente se deben planificar los conectores y contra conectores que no siempre están optimizados para este uso concreto y por eso, para dar mayor fiabilidad, pueden llegar a ser más voluminosos de lo deseable o de lo planificado.

Limitaciones mecánicas del sensor.

Los principales movimientos mecánicos asociados con una bola giroestabilizada se denominan PTZ correspondientes a Pan (movimiento horizontal de la cámara), Tilt (movimiento vertical de la cámara) y Zoom (movimiento de las lentes de la cámara para aumentar o reducir su distancia focal)

Los dos primeros requieren motores potentes y precisos que ocupan espacio y además deben estar perfectamente sincronizados entre sí para conseguir un desplazamiento fluido de la cámara en lugar de hacerlo a saltos. El motor de zoom suele venir ya integrado en la propia cámara, pero igualmente hay que integrarlo a nivel de señales de control.

En un buen sensor, la capacidad de giro horizontal (Pan) debe ser de 360º continuos, es decir, debe poder girar indefinidamente en una sola dirección sin que se enreden cables alrededor del eje. Esto se consigue con el uso de contactos eléctricos que giran alrededor de unas pistas en el eje …pero esto requiere también más espacio y complejidad que simplemente conectar la cámara con cables.

En cuanto al tilt, 90º suelen ser suficientes (para mirar desde el horizonte hasta la vertical) pero se suele añadir algo más tanto por encima de la horizontal como más allá de la vertical para compensar los continuos movimientos de cabeceo de la aeronave.

Limitaciones de giroestabilización.

Un sensor dedicado a la observación y vigilancia en RPAS debe estar giroestabilizado obligatoriamente.

Esto quiere decir dos cosas:

En primer lugar, el sensor debe estar aislado de movimientos no deseados como son las vibraciones típicas de la aeroestructura producidas por el motor, rozamiento con el aire y otras funetes. No hay nada peor que instalar una gran capacidad de magnificación de la imagen para que ésta resulte inútil debido al movimiento al que está sometido el sensor (el mismo efecto que cuando miramos a un punto lejano sujetando unos prismáticos con manos temblorosas). Este efecto se suele mitigar por medio del uso de aisladores mecánicos de material flexible (igual que los silent blocks que aíslan a un coche de las vibraciones de su motor) colocados entre la bola y la estructura del avión pudiendo llegar a ser necesarias varias fases de aislamiento (es decir, que incluso una plataforma aislada para vibraciones de un tipo deba estar contenida en otra plataforma aislada para vibraciones de otro tipo).

El sensor también debe estar aislado del movimiento normal de la aeronave correspondiente a correcciones de actitud en alabeo, cabeceo y guiñada para un vuelo estabilizado, así como de todos los movimientos necesarios para un cambio en la senda de vuelo o los necesarios para describir órbitas sobre el objetivo de interés.

En segundo lugar, el sensor debe tener la capacidad de moverse independientemente a la aeronave por medio de un control ejecutado por el operador de observación que le permita mantener su foco en un punto fijo o móvil exterior sin que le afecte la actitud de la aeronave.

Esto no sólo es necesario para la calidad de la imagen sino también como ayuda para reducir la carga de trabajo del operador del sensor.

La estabilización definida como el nivel de estabilización que la bola le aporta a la cámara se mide en microrradianes y se lleva a cabo por medio de la integración de acelerómetros, magnetómetros y giróscopos propios de la bola que mantienen un posicionamiento estable de la cámara independientemente de la actitud del avión.

Esta estabilización también se lleva a cabo o se aumenta con la aplicación de algoritmos de procesamiento de vídeo que comparan sistemáticamente fotogramas consecutivos del vídeo capturado. Cuando aparecen diferencias de desplazamiento entre un fotograma y el siguiente en una escena en la que se supone que no debería haber desplazamiento, entonces el software invierte a conveniencia los ejes de movimiento X e Y intentando mantener la imagen centrada.

Limitaciones de imagen.

Un sensor de observación que sólo aporte una imagen de vídeo en un mismo formato puede llegar a ser demasiado pobre para la mayoría de las misiones ISR. Idealmente, el sensor debe aportar más de un tipo de imagen además de la visual (electroóptica), como puede ser la infrarroja, para componer con ellas un proceso de detección, reconocimiento e identificación (DRI) de objetos consiguiendo una mayor potencia. También idealmente debe incluir alguna capacidad de zoom para permitir, con una misma cámara, las opciones de observación panorámica junto con observación detallada. Y aunque no son totalmente indispensables sí son valorables otras opciones muy útiles en las misiones de observación como son los telémetros láser para establecer distancias precisas al objetivo. 

Limitaciones de funcionalidades.

En una misión normal de observación, el operador está obligado a estar atento a varias pantallas al mismo tiempo (especialmente si el sensor transmite varios tipos de imágenes) esto hace que su carga de trabajo y fatiga visual sean muy altas.

Algunos sensores incorporan funcionalidades de generación automática de blancos con las que indican al operador todos aquellos objetos que puedan ser considerados de interés para la operación. Estas funcionalidades se basan normalmente en procesos de imagen instantáneos que se pueden realizar en la misma plataforma aérea o que requieren un procesado en tierra. En cualquier caso, esa información adicional debe poder ser reflejada y utilizada en las pantallas de la estación de tierra (GCS) de forma inmediata o en tiempo cuasi-real. Cuando el sensor hace el proceso entonces se debe tener en cuenta si el procesador es suficientemente pequeño y potente como para caber en la propia plataforma giroestabilizada (es la tendencia actual) o si (como ocurre en modelos algo menos evolucionados) requiere un procesador externo embarcado que hay que integrar igualmente.

Las funcionalidades de geotracking (comunicar al sistema unas coordenadas geográficas para que la cámara apunte de forma estabilizada a ellas) y videotracking (indicar sobre la imagen de vídeo recibida un punto de interés fijo para que la cámara apunte a ese punto de manera estabilizada) son altamente apreciadas en todas las misiones de observación. Estas funcionalidades requieren la integración del sensor con los acelerómetros del mismo y de su coordinación con un sistema de posicionamiento satelital (al fin y al cabo, lo que hacen estas funcionalidades es atribuir unas coordenadas GPS a la imagen que capturaría la cámara con determinada posición pan y tilt según las coordenadas GPS en las que se encuentra la aeronave)

Limitaciones de operación

No todas las cámaras sirven para todas las misiones. Obviamente, cuantas mejores características tenga la cámara, mayor variedad de operaciones podrá abarcar. Para ciertos tipos de misiones se exigen ciertos tipos de cámaras y capacidades …por ejemplo en misiones de observación en escenarios selváticos o de gran incidencia de neblina es preciso emplear varios espectros incluyendo el IR de onda corta (SWIR) para el cual las formaciones gaseosas de vapor de agua resultan transparentes. De igual manera un sensor puramente visual (Electroóptico) no es capaz de detectar nada en misiones nocturnas.

Limitaciones de comercialización.

Los sensores de los que hablamos pueden entrar en calidades o categorías restringidas para usos de defensa que pueden impedir o limitar su integración en un sistema de uso civil. Esto se da especialmente con altas resoluciones de cámaras IR en las cuales una resolución HD (High Definition 720 píxeles) ya se empieza a considerar que está únicamente destinada para su uso en defensa y por lo tanto su venta está regulada por las normas de exportación de material de doble uso. (Los materiales de doble uso son elementos que tal cual se presentan o con mínimos cambios pueden ser usados como armas y por lo tanto están regulados y controlados en todo su recorrido comercial por medio de un certificado de usuario final y los correspondientes permisos de comercialización que el país de origen exija)

Limitaciones de servicio del fabricante

Estos sensores giroestabilizados de alta potencia suelen ser bastante caros y no siempre son sencillos de integrar en otro sistema igualmente complejo como un RPAS. Por eso es necesario contar con fabricantes que tengan un mínimo de flexibilidad en sus condiciones para empezar a trabajar con cualquiera de sus productos. Obviamente, una vez integrada la primera unidad ya se resuelven el 90% de las incidencias de las siguientes unidades. Es por eso por lo que las primeras integraciones requieren especial atención y disponibilidad de recursos que, a veces, no están al alcance del integrador.

Limitaciones políticas

No siempre los países en los que se compran componentes de doble uso suelen llevarse bien con los países a los que va destinada la solución en la cual va integrado dicho componente. Para hacerlo más divertido, esas situaciones cambian con el tiempo y vienen y van según las relaciones políticas entre los tres países que intervengan (el país de origen del componente, el país que realiza la integración del componente y el país de destino). Así que muchas veces, un buen componente que cumple todos los requisitos al final tiene que ser rechazado porque el país de origen mantiene un contencioso con el país de destino. Lo peor ocurre cuando esta situación es sobrevenida justo en el momento en que el componente ya ha sido adquirido e integrado.

 

RPAS sensors ISR missions

 

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