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Qué son los Sistemas Multi-UAV?

 

Qué son los Sistemas Multi-UAV?

Son aquellos sistemas que emplean varias aeronaves para llevar a cabo de forma conjunta una misión determinada. El empleo de un conjunto de UAV’s (Unmanned Aerial Vehicles) autónomos capaces de cooperar entre sí para la consecución de un objetivo en común permite realizar misiones que un único UAV no sería capaz de completar, por lo menos no con el mismo nivel de eficiencia. En un sistema multi-UAV las aeronaves pueden intercambiar información acerca del desenvolvimiento de la misión, lo que permitirá que cada aeronave disponga de la suficiente información para tomar decisiones certeras que permitan alcanzar los objetivos impuestos.

Qué ventajas ofrece el empleo de sistemas multi-UAV?

  • Realización de varias tareas de forma simultánea: Un único UAV está limitado a realizar una tarea a la vez, sin embargo un equipo de UAV’s puede ir ejecutando tareas en lugares distintos en el mismo momento.
  • Mayor eficiencia en la ejecución de misiones: Un sistema multi-UAV al poder realizar tareas de forma simultánea permite completar la misión en tiempos sumamente inferiores a los que se conseguirían empleando un único UAV.
  • Habilidades heterogéneas: Un conjunto de drones que cooperan entre sí puede ser establecido con aeronaves que posean diferentes habilidades, las cuales al complementarse generan una mayor eficiencia en la utilización de los recursos. Por ejemplo, imaginemos un sistema multi-UAV compuesto por tres aeronaves que tienen como objetivo inspeccionar un área en busca de un grupo de personas que se encuentran en paradero desconocido, dos de las aeronaves son quadrotores y la tercera es un aeroplano. En esta misión debido a que el aeroplano puede volar más rápido y cubrir más extensión de terreno empleando menor cantidad de energía, se configura para que se encargue de realizar la inspección a nivel general, pero cuando este mediante su sistema de captura de imágenes detecta lo que podría ser un grupo de personas, emite un mensaje de alerta a los dos quadrotores lo cuales irán a la zona para inspeccionar el área de forma más exhaustiva y así confirmar o no el hallazgo.
  • Mayor grado de tolerancia a fallos: Al disponer de varias UAV’s, si durante la misión se presentase un problema técnico o un accidente que inhabilitara una de las aeronaves, el sistema podría reconfigurarse para que este hecho afecte lo menos posible el logro del objetivo. Esto no podría realizarse con un único UAV.

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Como vemos los beneficios de emplear un conjunto de drones en lugar de usar un único UAV son más que evidentes, pero para poder alcanzarlos se deben superar grandes retos que dificultan mucho las tareas de control y toma de decisiones. Para esto debemos desplegar una arquitectura de comunicaciones que permita el intercambio de información entre los distintos elementos del sistema, también debemos de elevar el nivel de computo de las aeronaves para con ello incrementar el nivel de autonomía en la toma de decisiones y una vez tengamos estos dos primeros aspectos cubiertos debemos implementar algoritmos de cooperación que garanticen que los UAV’s realizarán todas acciones e interacciones necesarias para completar la misión con buenos niveles de eficiencia.

Cabe destacar que para la capa de control y toma de decisiones, existen dos tipos de arquitecturas que pueden ser empleadas según el tipo de aplicaciones para las que este enfocado el sistema multi-UAV, estas son la arquitectura centralizada y la distribuida.

En la arquitectura de control y de toma de decisiones centralizada todas las funciones de planificación y asignación de tareas se realizan en la estación de control en tierra, en esta no se requiere que los UAV’s posean un alto nivel de autonomía en cuanto a toma de decisiones (solo basta que posean un auto piloto) ya que la estación base se encargará de planificar el plan de vuelo y de realizar los cambios de lugar en caso de ser necesario. En este caso, todas las aeronaves deben mantenerse comunicadas con la estación de control en tierra, lo cual limita bastante las capacidades del sistema si no se dispone de enlaces de comunicación de largo alcance. Toda la carga de control se centra en un único punto, por lo que en caso de ocurrir un fallo en la estación de control, se pone en riesgo todo el sistema.

En la arquitectura distribuida, las funciones de toma de decisiones están a cargo de cada elemento del sistema, por lo que estos deberán cooperar entre sí para tomar la decisión que aporte más a la consecución del objetivo en común. En este tipo de arquitectura los UAV’s deberán poseer altos niveles de autonomía, ya que para lograr una interdependencia primero se deben fortalecer las independencias. Esta toma de decisiones de forma cooperativa solo será posible si existe un despliegue de un sistema de comunicaciones que garantice la interacción entre las aeronaves. Esta arquitectura es mucho más robusta ya que las aeronaves no están atadas a las decisiones de elementos externos, y en caso de existir un fallo tanto en una aeronave como en la estación de control terrestre, el sistema podrá responder adecuadamente. Al no tener que estar constantemente enlazadas con la estación de control en tierra, el sistema podrá explotar mucho más sus capacidades, y cubrir mayor extensión de terreno. Para comunicarse con la estación en tierra las aeronaves emplean técnicas de enrutamiento, en donde el UAV que quiera enviar información a la estación de tierra deberá hacerlo a través de UAV’s vecinos que harán el papel de repetidores.

Basándonos en como las aeronaves interactúan unas con otras, los sistemas multi-UAV pueden clasificarse de la siguiente forma:

  1. Interacción física: en esta arquitectura los UAV’s se encuentran enlazados físicamente, por lo que los movimientos de cada aeronave deben estar coordinados con las maniobras de las otras. Un ejemplo de este tipo arquitectura lo vemos en aquellos sistemas multi-UAV empleados para levantar elementos pesados. En esta arquitectura, debido a que el número de aeronaves por lo general es bajo, se pueden emplear una arquitectura de control tanto centralizada como distribuida.

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  1. Formación: En este caso no existe un enlace físico entre las aeronaves, pero los movimientos deben estar coordinados para mantener una formación de vuelo determinada. En este tipo de sistemas generalmente se emplean arquitecturas de control descentralizadas.

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  1. Enjambre (Swarm): En estos sistemas nos encontramos un conjunto homogéneo de aeronaves que interactúan entre sí con un esquema de vuelo dinámico. La escalabilidad es un aspecto crucial debido a que se pueden emplear un número relativamente elevado de aeronaves, por lo que es obligatorio emplear una arquitectura de control distribuida.

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  1. Cooperación intencionada: Los UAV’s del equipo se mueven de acuerdo a las trayectorias definidas por las tareas individuales que son asignadas para la consecución de una misión global. En este caso, los problemas de asignación y planificación de tareas, y la resolución de conflictos deben resolverse teniendo en cuenta la misión global a ejecutar y las capacidades de los distintos UAV’s involucrados.

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Espero que la información aquí suministrada les sea de utilidad. 😉

Ernesto Santana

Soy editor y administrador de XDrones.es, un portal web especializado en todo lo referente al mundo de las aeronaves no tripuladas (UAVs por su sigla en inglés) y/o drones.

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