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IINNSSTTIITTUUTTOO UUNNIIVVEERRSSIITTAARRIIOO AAEERROONNUUTTIICCOO

SSEEMM

IINNAA

RR

IIOO

::

Experiencias de Diseo, Construccin yOperacin de UAVs en Argentina

DISERTANTES: Ing. Esteban Gonzlez GarcaIng. Francisco Vigil Sisterna

Crdoba, 26 y 27 de Agosto

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INSTITUTO UNIVERSITARIO AERONAUTICOSeminario: Experiencias de Diseo, Construccin

y Operacin de UAVs en la Argentina

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OBJETIVOS:

Introducir a los alumnos en el campo de los Vehculos Areos noTripulados

Mostrar las posibilidades de generar un proyecto tecnolgico en nuestropas

Tomar conciencia de lo complejo que es un desarrollo de este tipo Hacer hincapi en la planificacin y organizacin global de todo el

proyecto Proveer a los alumnos de informacin general y tcnica

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TEMARIO:

I) Introduccin a los UAVs pg.4II) Consideraciones de Diseo pg.12III) Aspectos Operacionales pg.19IV) Integracin de Pilotos Automticos pg.24V) Fabricacin en la Argentina pg.28VI) Operaciones en la prctica: Misin Fotogramtrica pg.36VII) Regulaciones pg.39

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I) INTRODUCCIN A LOS UAVs:

Los Vehculos Areos no Tripulados (UAVs Unmanned Aerial Vehicles)son aeronaves autnomas diseadas para un fin. Bsicamente son robotscreados bajo un requerimiento especfico para cumplir una determinada misin.Existe en el mundo una gran variedad de UAVs de diferentes tamaos,complejidad, costo y forma.

Si bien estas mquinas son requeridas en mltiples usos, sus orgenesdatan de ms de tres dcadas, y se retraen al uso militar, bsicamente comoblancos para la calibracin de bateras anti-areas, sistemas de misiles oaviones.

Su progreso y modernizacin tuvo origen tambin en el mbito militar, yluego se descubri la potencialidad de ser utilizados para fines civiles /comerciales.

Hoy en da son volados en infinidad de misiones, y cada vez msusuarios los utilizan, ya sea por seguridad, costo u otro motivo.

I-1: UAV Predator (multipropsito de uso militar)

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I-2: Aerosonde, pionero en operaciones civiles y privadas

POR QUE UTILIZAR UN UAV

Se puede adaptar a un requerimiento bien especfico Generalmente posee un bajo costo de mantenimiento Es de rpida puesta en operacin Puede utilizarse en misiones peligrosas, sin arriesgar vidas El costo operativo suele ser inferior al de una aeronave tripulada No es necesario despegar ni aterrizar desde aerdromos Puede modificarse su misin desde una base en tierra en tiempo real Puede operarse in situ, sin tiempo de vuelo (costos) para llegar al lugar

de operacin Se utiliza personal reducido en comparacin con una aeronave civil Pueden hacerse operaciones diurnas y nocturnas Posee gran autonoma de vuelo Posee transmisin de datos e imgenes en tiempo real

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I-3: Despegue con catapulta sin necesidad de pista

TIPOS DE UAVsa) MUAVb) Tcticosc) Mediano alcanced) Largo alcance

e) HALEf) UCAVg) Targets

a) MUAV (Miniature UAV)Utilizados para espionaje y/o control en lugares o galpones cerraros.Poseen corto alcance y su carga til es bsicamente una cmara devideo o microsensores. Existen una gran cantidad de modelos,generalmente demostradores tecnolgicos utilizados por universidades.Actualmente su utilizacin est en auge.

I-4: MUAVs de la empresa Aeroviroment

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b) TcticosUtilizados en el mbito militar para espionaje y relevamiento del terreno

en la corta distancia. Son de bajo costo y fcil operacin. Su carga til esuna cmara de video. La motorizacin es elctrica y son cargadosdesarmados por su operador en una mochila especial. Generalmente susdimensiones no superan el metro y medio de envergadura.

I-5: UAV tctico Pointer

c) Mediano alcanceSon los de mayor difusin en el mbito civil y militar. Sus dimensiones ycapacidades van entre los dos metros de envergadura y tres kilogramosde carga til hasta los ocho metros y 100 kilogramos respectivamente. Elequipamiento de carga til incluye sistemas de video, cmarasinfrarrojas, cmaras fotogrficas, trmicas, sensores atmosfricos,radares, etctera. Poseen sistemas de navegacin de avanzada, y sonmonitoreados con una Estacin Terrena de Control. Su autonomapromedia unas 7 horas de vuelo.

I-6: Ranger, utilizado por numerosos ejrcitos

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d) Largo alcanceDe uso militar. Llevan todo tipo de carga til. Poseen grandes

dimensiones y tecnologa de ltima generacin. Su autonoma supera las15 horas. Se utilizan para espionaje, guerra electrnica, etctera.

I-7: Global Hawk

e) HALE Vehculos de misiones de gran alcance y gran altitud, estn siendoutilizados para monitoreos atmosfricos, retransmisin de seales. Algunos proyectos aspiran a reemplazar satlites de rbitas bajas poreste tipo de UAVs.

I-8: Prototipo del Helios de la NASA

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f) UCAV Vehculos Areos No Tripulados para el Combate. Actualmente existen

modificaciones de UAVs de mediano/largo alcance utilizados comoaeronaves de combate. Son comandados desde una estacin remota. Enla actualidad se estn probando prototipos especficamente concebidospara este tipo de operacin.

I-9: Diseos conceptuales de UCAVs

g) TargetsPodra decirse que los blancos areos son los orgenes de los UAVs. Sibien en sus comienzos eran radiocontrolados, en la actualidad poseenavinica de navegacin que permite simular un ataque con misilescrucero.

I-10: Blanco areo BQM-74E Chukar

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APLICACIONES DE USO

Actualmente los UAVs estn siendo utilizados en una gran cantidad demisiones, que responden a requerimientos de fuerzas armadas, de seguridad,organismos gubernamentales, organizaciones civiles, empresas privadas ouniversidades. Estas misiones pueden resumirse en las siguientes:

Monitoreo y evaluacin de ataques terroristas Apoyo en bsquedas y rescates en zonas montaosas Alerta temprana y control de incendios Monitoreo en rutas y caminos Reconocimiento y patrullaje martimo Vigilancia ms all del horizonte Manejo de Misiones de Paz Retransmisin de informacin Escolta de tropa en tierra Monitoreo y deteccin de sustancias nucleares, bacteriolgicas y

qumicas Estudio de suelos Exploracin de volcanes Monitoreo agrcolas y sondeo selvtico Estudios meteorolgicos Estudios ecolgicos y de migracin Videos y fotografas areas Relevamiento catastral Deportes, publicidad y propaganda Monitoreo de eventos Monitoreo de gasoductos y oleoductos Monitoreo de acueductos Monitoreo de lneas de tensin Control de Fronteras Monitoreo y relevamiento de zonas inundadas

Deteccin de incendios forestales y asistencia en la toma de decisiones Plataforma de prueba y test de sensores e instrumentos Calibracin de equipos

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I-10: Ejemplos de aplicaciones de usos

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II) CONSIDERACIONES DE DISEO:

Como todo proyecto de ingeniera, los UAVs son creados para un findeterminado. La decisin de embarcarse en el desarrollo de un proyecto deeste tipo contempla un anlisis complejo de variables que van desde lopuramente tcnico hasta lo estrictamente comercial.

Uno de los objetivos de este seminario es hacer hincapi en el anlisis detodos los aspectos que deben ser tenidos en cuenta a la hora de generar unemprendimiento de Vehculos Areos no Tripulados.

Como se puede ver ms adelante en la Figura II-1, el primer paso paracomenzar un proyecto de UAVs es determinar los Requerimientos de Diseo; esdecir qu se va a hacer.

Encontrar los requerimientos no es tarea fcil, ya que debe incluiraspectos de todo tipo que deben ser evaluados por grupos conformados porpersonal tcnico, comercial y contable. Un grupo multidisciplinario genera unanlisis mucho mas global y completo del proyecto, y el riesgo de omitirdetalles importantes disminuye considerablemente.

II-1: Esquema de Proyecto

Estudio demercadoCompetencia

Costos delDesarrollo

Recuperacin dela Inversin

RecursosHumanos

Ventajas ydesventajas

Potencialesclientes

Proveedores demateria prima

Proveedores deequipamiento

Requerimientosde Diseo

Prototipo / Demostrador

Tecnolgico

Diseo Congelado

Fabricacin en Serie

Operacin / VentaSeguimientomantenimiento

Documentacintcnica

Reinversin

Capacitacin

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Como se aprecia en el esquema, este grupo de personas debeAnalizar elMercado:

ver la factibilidad de utilizacin de UAVs en las actividades de la regin identificar clientes, organismos u otro tipo de institucin con potenciales

aspiraciones a la adquisicin de servicios / unidades analizar la existencia de competencia alguna, y en caso afirmativo

contrastar pros y contras evaluar la cercana y calidad de los potenciales proveedores (materia

prima componentes herramental etc)

Todo este anlisis debe realizarse con un seguimiento exhaustivo de loscostos implicados.

Los recursos humanos son vitales en el desarrollo inicial. La correctaseleccin del personal ahorra tiempos, costos, y genera conocimiento que luegoes transmitido a posteriores ingresantes.

Una vez definidos los requerimientos y aprobada la inversin, el proyectose pone en pi. El primer gran hito del proyecto es el prototipo (puede ser uno,dos o ms), el cual no es ms que un demostrador tecnolgico. Se pruebanmtodos constructivos, equipamiento, instrumental, plantas motrices, etc. Serealizan ensayos, calibraciones, mediciones y se determinan cambios omodificaciones.

Todo lo aprendido con el/los prototipo/s lleva a congelar un diseo, el

cual cumple con los requerimientos iniciales y ya ha sido probado. El DiseoCongeladodebe llevar consigo toda la documentacin tcnica asociada (planos,diagramas, manuales de fabricacin, manuales de mantenimiento, manuales deoperacin, catlogo ilustrado de partes, troubleshooting, etc).

Cabe aclarar que en cada etapa del desarrollo que se est gestandosiempre debe controlarse que los gastos y los costos estn dentro de lo fijado.En funcin de estos controles se va reinvirtiendo o canalizando los flujos defondos para determinados temas.

DISEO CONGELADO DEL UAV Strix:

Siguiendo los pasos anteriormente mencionados, la aeronave ADS101-Strix ha llegado a su configuracin final, cumpliendo con creces losrequerimientos previamente definidos y fabricndose bajo un sistema decalidad aeronutico.

a) Ficha Tcnica UAV ADS101 Strix:

Aeronave no tripulada de mediano alcance, de rpida puesta deoperacin, capaz de llevar variedad de equipamiento de carga til en

misiones de todo tipo:

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Peso max: 40 Kg Carga til: 7 Kg Envergadura: 3.6 m Superficie alar: 1,18 m^2 Planta Motriz: 10 HP, 100 cc, 2T Velocidad Crucero: 110 km/h Mxima Autonoma: 8 hrs. (SL, 110 km/h) Mximo Alcance: 800 km. (SL, 110 km/h) Consumo: 2,5 lts/hr (SL, 110 km/h) Puesta en Operacin: 20 min

II-2: UAV ADS-101 Strix

b) Sistemas y Equipos de Abordo:

Sistema de Vuelo Automtico: Piloto Automtico / Computadora de abordo Sistema GPS / Plataforma Inercial

Telemetra de Datos On Line: Posicin Geogrfica Sensores de Abordo Video y/o Fotografa Estacin Terrena

Sistema Elctrico y de Comandos: Alta confiabilidad individual de componentes Redundancia de sistemas y controles Control en tierra del sistema en tiempo real

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Sensores de Vuelo del UAV: Girmetros y acelermetros Aire: Presiones esttica y total, temperatura, humedad Motor: RPM, temperaturas cilindro y gases de escape, nivel de

combustible Bateras: Tensiones, temperaturas, consumos

Equipos de Carga til: Sensores de vuelo del UAV:

Estudios atmosfricos y ambientalesEstudio de fenmenos meteorolgicos

Cmara de Navegacin:

Horizonte artificialObservacin meteorolgica y gral.Asistencia en vuelo manualSeguimiento de trazas, caminos

Cmara de Video:Filmaciones y Fotografa areaControl, seguimiento, patrullaje, seguridad

Cmara Infrarroja:Imgenes trmicas del sueloControl, patrullaje nocturno

c) Clula - Estructura: Fuselaje monocasco fabricado en vidrio, carbono y espuma, con bahas

bien definidas para ubicacin de bateras, carga til, rack de navegaciny tanque de combustible

Ala fabricada en vidrio, carbono, espuma y kevlar, ensayadaestticamente

Empenaje en forma de V invertida fabricada en vidrio, carbono yespuma, con refuerzos metlicos

Booms de carbono ensayados estticamente

II-3: Ensayo estructural del ala

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d) Trenes de Aterrizaje:

Tren principal tipo ballesta fabricado en compuesto de vidrio, carbono,espuma, kevlar e insertos metlicos, ensayado en forma dinmica

Tren de nariz metlico dual, auto-direccionable con sistema de resorteencapsulado

II-4: Tren de Nariz con sistema de amortiguacin

e) Rack de Avinica:

Concentra todo el equipamiento electrnico de la aeronave, a excepcinde la carga til:

Piloto Automtico Centralinas de energa Placas Sensoras varias Computadora de abordo Transmisor de video Modem satelital Puertos seriales, USB, CAN Entrada y salida de energa

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II-5: Rack de Avinica

f) Sistema de Combustible:

Tanque de goma aeronutico con sistema rompe-olas Doble sistema de filtrado de combustible Vlvula de carga anti-retorno Conexin a tierra Sensor de nivel de combustible

g) Planta Motriz:

Motor comercial 2T 100 cc 10 HP Bi-cilndrico tipo boxer Asentado y probado en banco Refrigerado por aire Bancada de compuestos ensayada en bajo cargas de traccin y torque Hlices comerciales (madera carbono) Spinner de carbono Sensores de RPM, temperatura en cabezas de cilindros y gases de

escapes

II-6: Foto del motor y el tanque de combustible

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h) Sistema Elctrico:

Cableado totalmente mallado y protegido Cables de tefln Conectores blindados Central de masas de toda la aeronave Lneas de energa diferentes para sistemas vitales, carga til y otros Sistema redundante Conectores con traba y aislados de vibraciones

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III) ASPECTOS OPERACIONALES:

La operacin de UAVs puede ser tratada como un proyecto aparte, elcual requiere de una planificacin y logstica bien estudiada.

Generalmente los UAVs trabajan en lugares de difcil acceso: regionesinhspitas, desoladas, sin comodidades y casi siempre con condicionesclimatolgicas extremas. Por ello se debe puntualizar en los siguientesaspectos:

a) Reconocimiento del terreno y perfil de la misin: Inspeccin de la regin de trabajo Identificacin de zonas de asentamiento Zonas pobladas ms cercanas Localizacin de claros / zonas de despegue-aterrizaje Rpido acceso a caminos Identificacin de zonas de aterrizaje de emergencia Caminos alternativos Climatologa de la regin / vientos-lluvias Trfico areo

III-1: Bsqueda de claros y caminos como posibles lugares de operacin

b)Recursos Humanos: Cantidad mnima necesaria para la operacin Responsabilidades y tareas definidas Tiempo de estada en zona Inmunizacin

Personal capacitado y capaz de resolver problemas Experiencia en campo

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Total conocimiento del sistema Comunicacin con el exterior Sin inconvenientes fsicos

c) Logstica de Equipamiento: Manuales de Troubleshooting Kit de repuestos Kit de reparacin en campaa Taller mvil (mecnico elctrico electrnico) Telefona satelital u otro dispositivo para asegurar comunicacin Generadores de energa Rampas de lanzamiento / Catapultas Utilajes de armado / ensamblaje /mantenimiento

III-2: Mantenimiento en operaciones

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d)Logstica de Misin: Abundante agua para los das de estada Elementos de higiene y aseo personal Comida para los das de estada Kit de primeros auxilios Indumentaria acorde a la climatologa Combustible para transporte, aeronaves y generadores Repelentes y protectores de sol Elementos de seguridad personal Nmeros telefnicos y contactos de la zona Elementos de seguridad en general Medicamentos Kit de repuestos para generadores, vehculos Sistema de iluminacin artificial Elementos para acampar en terreno Mapas y cartas geogrficas de la zona Sillas, mesas

III-3: Base de operaciones / taller-laboratorio mvil

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e) Estacin Terrena (GS):La GS es el lugar fsico desde donde se comanda al UAV durante la

misin. Es un vehculo, oficina mvil, casilla y/o trailer ubicado en lazona de operaciones (generalmente en lugar de despegue). Estequipada con todo el instrumental y sistemas necesarios para podercomandar la aeronave durante el vuelo (dependiendo de lacomplejidad de la aeronave). Se comunica en tiempo real con el UAVen forma radial o va otro sistema de comunicacin.La base terrena debe poder albergar cmodamente a todo el personalde la misin, protegindolos de condiciones climatolgicas adversas.Debe poder ser trasladada con facilidad a terrenos inhspitos. Lossistemas elctricos e instrumental deben ser probados y confiables,

ya que el mal funcionamiento puede truncar toda la operacin.Generalmente para misiones prolongadas (UAVs de mediano y largoalcance) la GS posee tres puestos de trabajo bien definidos:

Puesto del Piloto Posee sistemas de comunicacin aeronuticos Puede contar con sistemas de video en posicin de vuelo con o

sin HUD Debe poseer instrumental bsico completo de vuelo Posibilidad de control manual, semiautomtico o automtico

Puesto del Navegante Posee un sistema de navegacin apropiado Posee sistemas de emergencia y bsqueda preprogramados Informacin con cartas de navegacin, imgenes satelitales,

elevacin digital del terreno y GIS

Puesto del Observador

Planificacin de la Misin

Posee control de Carga til, sistemas de videos Posee sistema de informacin del terreno, registro de posicin Asiste para la conduccin y control del vuelo Posibilidad de clculo de posicin y trayectoria de objetivos

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III-4: Puestos de Comando en Estacin Terrena

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IV: INTEGRACION DE PILOTOS AUTOMATICOS

Si bien la carga paga es el principal equipo en un UAV dado que es surazn de ser, el autopiloto es lo que diferencia a un UAV de un vehculotripulado, dndole su capacidad de maniobrar y navegar de manera autnoma.Hasta hace algunos aos existan pocas opciones entre las cuales elegir y lamayora de las empresas desarrollaban autopilotos propietarios para sus UAVs.Hoy en da existe una amplia gama de autopilotos comerciales disponibles,desde baratos sistemas de cdigo abierto (Paparazzi, ArduPilot, etc.), losautopilotos comerciales estndar para pequeos UAVs (Piccolo, Micropilot, UAVNavigation, Kestrel, etc.) hasta los caros sistemas para UAV de mediano y granporte (Athena, Geneva, etc.).

La eleccin del sistema depende de muchos factores, pero en todos loscasos se debe enfrentar la crtica fase de integracin a la aeronave y su ensayoen vuelo. Como veremos, este es un proceso que si es llevado a cabo concorrectamente es simple y satisfactorio. Por la experiencia en el UAV ADS101-Strix, a continuacin se describe un proceso tpico de integracin siguiendo lasrecomendaciones de la empresa CloudCap para su autopiloto Piccolo II.

El objetivo es integrar satisfactoriamente una unidad Piccolo II de laempresa CloudCap en el vehculo en el menor tiempo posible y minimizando el

riesgo que esto conlleva. El control del Piccolo esta basado en PID y suintegracin se realiza en los siguientes pasos:

Integracin fsica del equipo a la aeronave Simulacin Hardware-in-the-loop para ajuste de ganancias Ensayos en vuelo

Integracin fsica del equipo a la aeronave: La instalacin delequipo a bordo debe planificarse desde el diseo de la aeronave, ya que esteequipo es sensible y debe ser ubicado preferentemente cerca del centro degravedad. Su montaje debe ser realizado sobre aislantes de vibraciones, con laalineacin correcta y alejado en lo posible de fuentes de interferenciaselectromagnticas (por Ej., un transmisor de video). Tambin debe tenerse encuenta que su ubicacin y montaje debe priorizar, ante un accidente, susupervivencia dado su alto costo. Tan importante como el equipo es sucableado, que debe ser de calidad y prolijamente fabricado e instalado. Laalimentacin del equipo debe ser prevista en el diseo del sistema elctricocomo independiente de otros sistemas y redundante.

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IV-1: Montaje mecnico antivibratorio

Simulacin Hardware-in-the-loop: La simulacin del sistema en unambiente virtual es la clave para una integracin exitosa y de mnimo riesgo. Enuna simulacin del tipo Hardware-in-the-loop lo nico simulado es la aeronave ysu entorno, ya que el resto de los equipos son realmente usados y funcionancomo lo haran en vuelo. Esto requiere de un detallado modelo matemtico dela aeronave que la represente en trminos de aerodinmica, propulsin einercia.

IV-2: Simulacin Hardware-in-the-loop

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El modelo matemtico est dividido en dos partes. Una representa elsistema propulsivo y la otra las cualidades de vuelo (aerodinmica e inercia).

Tratndose en este caso de un motor de combustin interna, el modelopropulsivo puede ser un desafo en cuanto a la precisin, pero afortunadamenteel xito de la simulacin no depende fuertemente de esto, por lo que unesfuerzo moderado es suficiente.

El modelo aerodinmico es ms complejo y el fabricante provee dosmaneras de generarlo. La primera es utilizar estimacin automtica dederivativas, lo que funciona bien para aeronaves de configuracin clsica. No esel caso del ADS101-Strix, por lo que se opta por el segundo mtodo queconsiste en un cdigo de red de vrtices, en una versin adaptada del cdigoAVL del MIT.

La parte inercial del modelo (masa, inercias, centro de gravedad) fueestimada con el modelo de CAD de la aeronave.Con el modelo matemtico listo las simulaciones son llevadas a cabo y

los parmetros del sistema de control ajustados segn requerimiento. Unadiferenciacin con el procedimiento propuesto por el fabricante del autopilotoes que el modelo matemtico es primero ajustado mediante la apreciacincualitativa del piloto humano, que previamente ha volado la aeronave real enforma manual. De esta manera el modelo se ajusta an ms a la realidad.

El procedimiento completo es realizado primero en una aeronave deprueba mas pequea y manejable para luego pasar al UAV.

IV-3: Aeronave de prueba

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IV-4: Strix UAV

Ensayos en vuelo: Tras varias horas de entrenamiento en simuladorpara los sistemas normales y los procedimientos de emergencia, se realizan laspruebas de campo. Estas pruebas comienzan con extensos chequeos deequipos en tierra, incluidos ensayos de vibraciones, alcance de equipos detransmisin e interferencias.

El ensayo de la aeronave de prueba demuestra que el procedimientocompleto vale la pena, ya que desde el primer ensayo el vuelo automtico selleva a cabo sin problemas y con mnimos ajustes. A pesar de ser una aeronavemucho mas pesada, la correcta modelacin matemtica rinde sus frutos y laaeronave tambin ejecuta su primer vuelo automtico sin sobresaltos y conmnimos ajustes posteriores.

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V: FABRICACION EN LA ARGENTINA

El gran paso que se debe dar en este tipo de proyectos en cuanto a lafabricacin es identificar y comprender las limitaciones que se tiene a la hora dedisponer de ciertos componentes / materia prima. Estas limitaciones van de lamano de los costos, facilidades de adquisicin, calidad de los proveedores,ubicacin geogrfica, etctera. Llegar a una buena relacin entre costos,mtodos de fabricacin y resultados finales es el camino ideal para llegar a unproducto que satisfaga todas las necesidades del proyecto.

a) Fabricacin de la Clula: Numerosas y conocidas son las tcnicas defabricacin de aeronaves convencionales. Como es sabido, en aviacin se

debe ser lo ms liviano posible, y al mismo tiempo lo ms robusto posible, loque lleva siempre a una relacin de compromiso entre peso / resistenciaestructural. Dentro del proyecto del UAV ADS101-Strix se plantearonnumerosos objetivos, entre ellos hacer experiencia en nuevas tecnologas ymtodos de fabricacin. Esto incluye la utilizacin de materiales actualesutilizados en la industria aeroespacial.

Previamente es necesario (tal cual se mencion anteriormente) hacer unanlisis completo de la situacin. Completo implica marcar bien las etapasdentro del proceso de fabricacin:

1 Etapa: Diseo Preliminar: se definen las formas y dimensionesgenerales de la aeronave (perfiles, envergadura, configuracin deempenaje, etc). Es de gran ayuda la utilizacin de la computadora paraasistir al diseo, ya que permite rpidamente realizar modificaciones, sintener que modelar.

2 Etapa: Fabricacin de los Modelos: los modelos son las formasoriginales que van a servir para fabricar las matrices. Deben ser slidos,resistentes, de muy buena terminacin superficial y reutilizables. Existenmuchos mtodos y materiales para fabricar modelos, que dependen de lamano de obra (modelistas), tiempos, costos y requerimientos(durabilidad o terminacin del modelo).

Particularmente en esta experiencia se utiliz un modelo dealuminio de fundicin para el ala. El aluminio fue colado en moldede arena. El tocho fue fresado hasta las dimensionesespecificadas. Ventajas de este mtodo: durabilidad del modelo,escaso error geomtrico (error de apreciacin de la fresa),posibilidad de hacer ms de una matriz. Desventajas: costoexcesivo, modelo pesado (difcil de manipular), suciedad en el

proceso de fundicin (poros, inclusiones), tensiones defabricacin.

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Para el caso del fuselaje, el modelo fue fresado en un tocho deMDF, que luego fue protegido por una capa de resina con carga

(gel-coat). Ventajas: costo comparativamente menor, posibilidadde tornearlo en numeroso tipos de fresas. Desventajas:durabilidad limitada (gran sensibilidad a la humedad), sensible alcalor.

Con el empenaje se prob otro mtodo mucho ms artesanal: unmodelista que trabaja en madera. Ventajas: buena terminacinsuperficial, menor costo que los casos anteriores. Desventajas:poca vida til del modelo debido a la poca resistencia a latemperatura y humedad. Errores del modelista.

V-1: Modelo del ala recin salido de la fundicin

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V-2: Fresado del modelo de ala a su tamao real

V-3: Modelo del fuselaje fabricado en MDF

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V-4: Modelo del Empenaje fabricado en madera

En sntesis, el mejor mtodo es el que mejor se ajusta a la relacincosto-tiempo-requerimiento (gastar lo menos, fabricar lo antes posible,cumplir con las especificaciones).

3 Etapa: Fabricacin de las Matrices: con los modelos construidos seinicia la fabricacin de las matrices. Generalmente en esta etapa todava existe

la posibilidad de hacer grandes cambios de forma en la aeronave, por lo que sesuele fabricar matrices con poca vida til, o matrices para prototipos. Estasmatrices suelen fabricarse con la cantidad necesaria de material como parafabricar dos o tres piezas, y luego ser desechadas por degradacin(deformacin, agrietamiento, etc.).

V-5: Matriz de Prototipo de Fuselaje

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4 Etapa: Fabricacin de las Piezas:ya con la matricera para prototiposse comienza la fabricacin de las piezas. En esta etapa se prueban mtodos

constructivos, se hacen probetas, se prueban diferentes tipos de materiales yse evalan los resultados.

V-6: Cscara de Fuselaje fuera de su matriz

5 Etapa: Anlisis del Diseo y Mtodos Constructivos: una vezconstruida la primer clula y evaluado los resultados obtenidos, es hora derevisar la geometra original, recalcular estructuras, definir procesosconstructivos, seleccionar proveedores de materia prima y capacitar al personalpara fabricacin.

6 Etapa: Fabricacin de las Matrices de Produccin: en funcin de laestimacin de clulas a producir, se fabrica la matricera de serie, que adiferencia de la de prototipos es mucho ms robusta y posee las modificacioneshechas (o no) luego del anlisis del diseo preliminar. El costo de produccin deesta matricera es notoriamente mayor que el anterior, y debe ser tenido encuenta con antelacin.

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V-7: Matriz para produccin en serie de alas

7 Etapa: Fabricacin de la piezas:ya con la matricera de produccin secomienza con la fabricacin de las piezas. Estas piezas van a ser

intercambiables, identificadas, ensayadas (en caso necesario), y producidasbajo un mtodo y proceso estipulados.

PROCESO DE FABRICACIN DE PIEZAS DEL UAV ADS101-Strix:

Fabricacin de piezas laminadas en compuesto de fibra y resina Proceso de fabricacin documentado, bajo sistema de aseguramiento de

la calidad Ms de 150 matrices para la fabricacin de clula, piezas y componentes Trazabilidad de la materia prima Seguimiento de proveedores Mtodo de laminado: a mano (hand lay up) con pincel/rodillo Sala blanca de laminado, con temperatura, humedad y polvo en

suspensin controlados Extraccin de excedente de resina con vaco (dos etapas) o con contra-

matriz, dependiendo de la pieza Curado en horno con temperatura programable segn especificaciones

de proveedores de resinas

Personal con experiencia, capacitado y evaluado en procesos defabricacin

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Elementos de seguridad e higiene Sala de pintura cerrada con extraccin de polvos/gases Paol para el guardado e identificacin de las piezas Trazabilidad de las partes fabricadas

V-8: Laminado de intrads de ala

V-9: Utilizacin de vaco en fuselaje

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b) Fabricacin de Componentes Metlicos: todo componente estructuralmetlico tambin debe poseer su documentacin de produccin

correspondiente. La materia prima debe ser criteriosamente seleccionada. Grancantidad de estos componentes son ensayados y testeados. Cada uno escodificado y guardado en paol hasta su utilizacin. El UAV ADS101-Strix poseeinsertos metlicos, tuercas ancladas en el laminado, ejes de acero en trenes deaterrizaje, masas de ruedas de aluminio, bujes de bronce, planos de tierra decobre, etc. Es decir el material seleccionado acorde a la funcin de la pieza.

c) Fabricacin de Componentes Elctricos/Electrnicos: no hay queolvidar que el UAV no es ms que una plataforma autnoma que llevaequipamiento electrnico para un determinado fin. Como se analiz en la

seccin anterior, hay equipamiento adquirido que ya viene enlatado:simplemente se monta, conecta y funciona. No obstante, todo el cableado,placas sensoras, de adquisicin de datos y de administracin de energa puedenser (en este caso particular lo son) de fabricacin propia. La logstica referida alos componentes elctricos-electrnicos es sumamente importante y compleja.La cantidad de pines, conectores diversos, tipos de cables y demscomponentes que el UAV ADS101-Strix lleva abordo es seguido mediante unsistema de trazabilidad que permite conocer el stock remanente y avisa si hayalgn faltante. Esto se da gracias a que los procesos de fabricacin de cables yplacas se realizan bajo estrictos procedimientos. Cada mazo o placa fabricada

es codificado/a y guardado/a en paol hasta su disposicin.Tener un buen control de Stock permite planificar compras, sobretodo decomponentes que no se fabrican en el pas, que tienen sus tiempos de entregay costos adicionales.

PROCESO DE FABRICACIN DE COMPONENTES ELECTRICO-ELECTRONICOS DEL UAV ADS101-Strix:

Fabricacin de mazos de cables con codificacin de colores y grosor Proceso de fabricacin documentado, bajo sistema de aseguramiento de

la calidad Fabricacin de mazos en laboratorio de electrnica, con instrumental y

herramental necesario Todos los mazos y placas fabricados/as son testeados/as antes de ser

ingresados/as al sistema Documentacin y planos de corte de cables y armado de mazos Diagramas unifilares y pin-out de cada conector de cada mazo Elementos de seguridad e higiene Trazabilidad de los mazos y placas fabricadas Seguimiento y continua comunicacin con proveedores

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VI: OPERACIONES EN LA PRACTICA: MISION FOTOGRAMETRICA

Uno de los requerimientos iniciales del proyecto del UAV ADS101-Strixfue contar con capacidad de llevar diversos tipos de cmaras fotogrficas.

En funcin de los pedidos de varios clientes se opt por desarrollar unaplataforma estabilizada capaz de portar una cmara. Esta plataforma fuetesteada y probada en vuelo, para luego estar lista para operar.

PLATAFORMA ESTABILIZADA:

Bsicamente es un sistema mvil de tres ejes, comandados porservomotores independientes. El movimiento de la plataforma es impuesto poruna SBC (computadora de abordo) que toma los ngulos de posicin de laaeronave a travs de la IMU del Piloto Automtico. De esta manera se aseguraque el objetivo de la cmara est siempre apuntado al suelo en formaperpendicular, disminuyendo notoriamente errores o deformaciones en lasimgenes.

SOFTWARE DE PLANIFICACION DE MISIN:

La misin fotogrfica no puede ser improvisada, y debe estar respaldadapor una organizacin previa que determine a dnde se va a volar, a que altura,velocidad, que superficie se quiere cubrir, con qu tipo de objetivo y cadenciade disparo que se necesita.

Toda esta informacin no puede improvisarse. Para ello es necesariocontar con un software que gestione la misin y determine como va a serllevada a cabo.

La Base Terrena de Control posee el Puesto del Observador, quienutilizando un software especfico genera los planes de vuelo en funcin de losrequerimientos de la misin. Las variables o datos requeridos para generar elplan de vuelo son los siguientes:

Superficie a fotografiar Ubicacin geogrfica de la superficie Altura de vuelo Tipo de objetivo

Superposicin entre fotos (lateral y longitudinal) Cantidad estimada de fotos a sacar

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Velocidad de vuelo Estimacin de intensidad y viento en altura Ubicacin de la zona de despegue Ubicacin de la zona de aterrizaje

Con todos estos datos cargados, el programa devuelve un plan de vueloque es cargado al piloto automtico del UAV. Este plan de vuelo especifica lospuntos geogrficos o way points por donde la aeronave va a pasar. Define eltrazado que va a hacer y en qu momento va a sacar fotos con unadeterminada cadencia, asegurando el solapamiento entre fotos previamentedefinido. Tambin se calcula el combustible requerido para la misin y el tiempototal de vuelo de la misma. Durante la ejecucin de la misin, el programa

recibe telemetra de la aeronave, indicndole y mostrando al observador:

Fecha y hora de la fotografa Altura de vuelo en el momento del disparo Posicin GPS en el momento del disparo ngulos de correccin de la plataforma estabilizada en el

momento del disparo Grafica el solapamiento entre fotografas Telemetra general del vuelo Estado de memoria de la cmara fotogrfica

VI-1: Visualizacin de la aeronave tomando fotografas

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Las fotografas pueden ser guardadas en la memoria de la cmara o en eldisco duro de la SBC. Estas imgenes son guardadas y almacenadas para post

procesarlas y generar un mosaico orto-rectificado.

LOGSTICA PREVIA:

Realizar una operacin con un UAV no consiste slo en volar, sino que comose expres antes debe haber una logstica y planificacin previas.

Se deben hacer todos los check lists pre vuelo y registrarse las

novedades surgidas El personal que participe en la misin debe tener cierta experiencia

meteorolgica (si conoce la zona mejor), para poder adelantarse a algnfenmeno climtico

La Base Terrena de Operaciones debe tener una estacin meteorolgicaporttil, para poder registrar vientos, temperaturas y presiones, con elfin de analizar tendencias del clima

Hay que saber leer el cielo, para poder inferir altura de nubes, cercanade tormentas, o gestacin de ellas. Sobretodo si se va a operar adistancias considerables respecto a la base

Los planes de emergencia en caso de falla de sistemas o inclemencia deltiempo tambin deben ser analizados y previamente cargados en laaeronave, evitando cualquier tipo de improvisacin

Es de gran utilidad llevar abordo sensores atmosfricos y/o cmaras denavegacin para tener una imagen en tiempo real de la regin donde seest volando

VI-2: Retirada por amenaza de tormenta

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VII: REGULACIONES

Con el crecimiento exponencial de la utilizacin de los vehculos areosno tripulados tambin ha crecido un vaco en cuanto a cuestiones del tiporegulatorias. Encuadrar a los UAVs dentro de una categora de aeronave o crearuna nueva categora no es posible, debido a la gran variedad en cuestiones detamao, equipamiento y utilizacin.

Obviando el sector militar, histricamente algunos pases han generadoalgn tipo de normativa de fabricacin y de operacin, para casos oconfiguraciones de UAVs especficas. Esto se ha dado en Australia, Inglaterra,Francia, y con el correr de los tiempos se han hecho esfuerzos para tratar de

generar regulaciones regionales que permitan la operacin y uso civil de estetipo de vehculos.

Por el lado de Estados Unidos, tambin se trabaj en formulaciones denormas para obtener certificados de aeronavegabilidad, pero para casos muyespecficos.

Actualmente existen numerosas asociaciones cuya bsqueda es definiruna norma que sea aplicable a todo tipo de UAVs, y que permita la operacinde este tipo de vehculo en todo tipo de espacio areo. El objetivo de formular

esta norma es garantizar un status de seguridad similar al de una aeronaveconvencional.

El gran problema que se tiene es qu criterio tomar para poder clasificarlos diferentes tipos de UAVs. Al da de hoy los avances son importantes, perotodava hay mucho trabajo por hacer.

Una caracterizacin general pero que se est considerando en gran partedel planeta es trazar una raya entre vehculos lnea de separacin entrevehculos de ms de 150 Kg de peso mximo al decolaje y vehculos de menorpeso (surge de un estudio de la energa cintica que poseen, y el dao quepueden hacer si caen al suelo). Para los primeros se exigen ciertos requisitos decumplimientos, que bsicamente surgen de adaptar la normativa anloga a laFAA Part21 de cada regin. Para los vehculos de menos de 150 Kg se realizaun estudio especfico para certificarlos.

EL CASO DEL UAV ADS101-Strix:

El proyecto del UAV ADS101-Strix data de comienzos del ao 2005,

cuando el tema regulacin estaba recin en consideracin. Unos de los planteosiniciales fue encarar el proyecto tal cual es: un avin real. Por ello se buscaron

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las normativas de UAVs existentes, y se plante implementar un sistema decalidad aeronutico para la produccin de cada componente de la aeronave.

Se trabaj bajo los lineamientos de una norma Australiana, quebsicamente es una adaptacin de la Parte 21 de la FAA:

Todo clculo pedido por la norma est documentado en su respectivamemoria de clculo, cumpliendo factores de diseo (en algunos casosincrementndolos)

Se han registrado ensayos de vuelo, que han sido contrastados conclculos previos

La aeronave posee manuales de operacin, mantenimiento, produccin,

wiring, IPC, troubleshooting, etc. Las piezas estructurales son ensayadas bajo requerimientos, como es el

caso de los trenes de aterrizaje, el ala, booms de cola, etc. Los componentes electrnicos son testeados y ciclados asegurando una

determinada vida til Se tiene una lnea principal de energa, al cual se conectan los sistemas

vitales de la aeronave Los comandos son redundantes garantizando maniobrabilidad ante la

falla de una de las lneas de energa El sistema de vuelo manual es redundante

Se han caracterizado los componentes como Hard Time, ConditionMonitoring y All Condition Todo vuelo es cargado en el historial de cada aeronave Todo arranque y vuelo es cargado en el historial de cada motor utilizado

La motorizacin que utiliza el UAV ADS101-Strix (100cc 10 HP 2T) noviene provista de documentacin alguna. Motores de estas caractersticas noson certificados. Otro de los objetivo iniciales ha sido el de conocer al mximoel motor, con el fin de obtener confiabilidad, definir un plan de mantenimiento yobtener informacin tcnica (curvas y diagramas del motor). Para ello ha sidonecesario testear en banco de pruebas un motor. Actualmente se esta enproceso de ensayo.

En sntesis, el tema regulatorio ha sido planteado desde la concepcinmisma del vehculo, con la intencin de poder cumplir con los requerimientosque surjan una vez que los organismos e instituciones aeronuticas definan yencuadren un camino a seguir.

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CONCLUSION:

Como sntesis de este Seminario, es sumamente importante podertransmitir a los futuros ingenieros las posibilidades reales que existen ennuestro pas de embarcarse en proyectos de ingeniera de avanzada. No esobligatorio viajar a otras latitudes para estar en contacto con este tipo devehculos.

Los vehculos areos no tripulados estn en auge en todo el mundo, ynuestro pas y Sudamrica an son terreno no explorado en este tema. Elcamino es costoso, sacrificado y lento, pero sumamente gratificante.

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REFERENCIAS:

Archivo de Imgenes de AeroDreams (www.aerodreams-uav.com) UAV stability derivatives estimation for hardware-in-the-loop simulation

of Piccolo autopilot by qualitative flight testing (Ing.Esteban GonzlezGarca)

HIL/SIL simulator for the Piccolo avionics(Vaglienti Niculescu 2006 www.cloudcaptech.com)

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