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Tecnología tras las carreras de drones

Francisco García García

Francisco García García

AERTEC / Aerospace Industry - Manufacturing Engineering

Las carreras de drones, o FPV drone Racing (donde FPV significa vista en primera persona o vídeo en primera persona) es una modalidad de competición deportiva en la que drones compiten a gran velocidad en circuitos preparados con obstáculos. Los participantes dirigen estas naves mediante cámaras equipadas en los mismos drones, que trasmiten la imagen en directo al piloto que puede verlas en una pantalla instalada en gafas o monitores como si estuviera a bordo de la nave.

Las aplicaciones de los drones crecen cada día en todos los sectores. Uno de ellos, el de las carreras de drones, tiene también grandes exigencias tecnológicas.

Al igual que en el caso de las carreras automovilísticas, hay competiciones por todo el mundo, siendo el elemento competición el que hace que mucha gente se haya interesado en este campo. Se llegan a ofrecer cantidades importantes en premios, lo que justifica que la inversión en tecnología sea significativa. Lo interesante de este reciente deporte de competición, es la variedad de oportunidades tecnológicas y audiovisuales que se presentan, fomentando la creatividad en este campo, en el que se desarrollan nuevos diseños de sistemas de control, potencia, durabilidad, transmisión de datos, reducción de pesos, diseños aerodinámicos, etc,

Hablemos de algunas de las características técnicas más comunes en estos tipos de drones.

Los drones de carrera debido a su peso ligero pueden acelerar y maniobrar con gran velocidad y agilidad. A diferencia de los dedicados al vídeo o la fotografía, los drones de competición están diseñados para avanzar lo más rápidamente posible, en lugar de flotar establemente. Mientras que los de fotografía normalmente poseen cuatro motores dispuestos en X, espaciados homogéneamente, los drones de carreras suelen tener cuatro motores dispuestos en H, diseñado para impulsar el dron hacia adelante en vez de hacia arriba. Las hélices de 3 palas o 4 palas (en lugar de 2 palas) con diámetro más corto permiten mayor capacidad de aceleración y maniobrabilidad.

Los mandos de control son extremadamente sensibles y requieren un piloto adiestrado en su manejo en cortos tiempos de reacción.

Los tamaños de los drones de carrera varían entre 180 mm con palas de 4” para interior y los de 250 mm con palas de 6” que son los más rápidos normalmente usados, aunque para freestyle, los preferidos son los de 220 mm con 3 palas de 5”.

Tienen motores más pequeños con mucha potencia. Los drones más rápidos, con apenas 798 gramos de peso aprox, pueden completar vueltas a velocidades cercanas a 290 km / h.

Estos drones son construidos con fibra de carbono, resistentes y ligeros que pueden recibir bastantes impactos sin producirse daños en el equipo, con lo que se gana en rentabilidad.

Llevan dos cámaras, una de grabación on board en resoluciones 4K 60fps, y otra de transmisión de video a tiempo real para el control con las gafas. Existen gafas en el mercado que pueden utilizarse tanto a resoluciones de 720p / 60 fps como a 1080p / 30 fps, algunas transmiten también en 4K cuando la aeronave se encuentra en un rango cercano, con una latencia extremadamente baja de sólo 40 ms.

A este sistema de cámaras se le denomina “Persons view”, y esta latencia baja crea una experiencia tal que el piloto siente como si estuviera realmente subido al dron, lo que le permite disponer de un mayor control que de la forma tradicional. Incluso hay gafas de alta gama, que incorporan un sistema que permite controlar la orientación de la cámara on board con sólo el movimiento de la cabeza.

La latencia de la cámara FPV que procesa toda la información del sensor de imagen es un detalle importante, cuanto más rápido sea el procesamiento, menor será la latencia y mejor el control sobre la máquina. Un retraso de latencia de 100 ms cuando el dron vuela a 50 mph puede significar que su dron viajará aproximadamente 2 metros antes de que el piloto reciba la imagen, por lo que posiblemente se haya perdido el control antes de que el piloto se dé cuenta.

Un factor importante en la transmisión es el ancho de banda real del transmisor, ya que las resoluciones más altas requieren un ancho de banda mayor.

Las antenas se ubican en la parte baja del dron para asegurar 360º de cobertura. Se usan conjuntamente antenas de ganancia omnidireccional y direccional, dependiendo de la ubicación del dron, ya que la antena direccional obtiene máxima transmisión en una dirección y la antena omnidireccional permite la transmisión en todas las direcciones.

Las lentes de estás cámaras pueden cambiarse para elegir el campo de visión o FOV (field of view), ajustándose a las necesidades concretas del terreno. Dependiendo de la distancia focal del objetivo en milímetros tendrá diferentes ángulos de visión. Si tenemos en cuenta que el ojo humano tiene aprox. una distancia focal entre 22 y 24 mm con un ángulo de visión periférica horizontal de unos 140 grados con visión binocular, con estas lentes podemos conseguir ángulos superiores e inferiores a la visión humana.

En esta tabla se puede ver la equivalencia entre las lentes y los grados de campo de visión (FOV):

LENTES – CAMPO
1,2 mm – 185 grados
1,7 mm – 170 grados
2,1 mm – 165 grados
2,5 mm – 147 grados
2,8 mm – 130 grados
3,0 mm – 127 grados
4,0 mm – 88 grados
6,0 mm – 78 grados

 El sensor de la imagen de la cámara FPV afecta a su rendimiento. Para las cámaras FPV se utilizan sensores CMOS y CCD. Las cámaras CMOS suelen ser más livianas y usan menos energía, lo cual solo es realmente importante en algunos micro drones. Sin embargo, si existen vibraciones a bordo se genera el efecto gelatina que dificulta la visión. Las cámaras CCD no tienen este problema y tienen un rango dinámico más amplio, por lo que pueden trabajar mejor en condiciones de luces brillantes y sombras.

La mayoría de los pilotos de drones usan cámaras CMOS debido a su amplia disponibilidad y costo.

También cabe señalar que ya existen algunas cámaras FPV 3D que constan de dos cámaras una al lado de la otra para permitir la ilusión de profundidad 3D mientras vuela, llevando la sensación de realidad y control al extremo.

 Combinar la innovación tecnológica con la diversión ha hecho que se triplique la venta de drones en los últimos 2 años, y muchas empresas privadas se han puesto a desarrollar nuevos diseños tecnológicos. Aunque este aumento se vio ralentizado inicialmente debido a las normativas de uso que fueron apareciendo en todos los países, volvió a subir posteriormente debido a la profesionalización del sector, por otro lado necesaria.

Esto convierte esta disciplina en un campo de pruebas para seguir desarrollando nuevas ideas e innovaciones que luego pueden pasar a formar parte de otros proyectos de mayor envergadura, tales como los UAS destinados al control de fronteras, seguridad y emergencias, mantenimiento de instalaciones, ciudades inteligentes, etc.

Es muy probable que veamos en los próximos años un aumento de estás tecnologías en nuestras ciudades, además de llegar a la aceptación, por parte de la sociedad, de la integración de estos equipos en la vida normal, como ya podemos ver en controles de tráfico, localización y rescate de personas, control de incendios, etc.

 

Drones racing league

 

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