Principios de vuelo: cómo un multirrotor se mantiene inmóvil en el aire

Una hélice empuja el aire hacia abajo y recibe en reacción un empuje hacia arriba. El empuje crece aproximadamente con el cuadrado de la velocidad del rotor y con la densidad del aire, y un diámetro mayor lo produce con más eficiencia (T = C_T × ρ × n² × D⁴, donde ρ es la densidad del aire, n la velocidad del rotor y D el diámetro). A gran altitud o en días calurosos el aire es más fino, así que los rotores deben girar más rápido para sostener el mismo peso.

El vuelo estacionario es el estado en el que el empuje total de cuatro (o más) rotores equilibra exactamente el peso mg; en un cuadricóptero, mg ÷ 4 por rotor. Cuanto más pesada sea la cámara de inspección o el sensor de contacto, más rápido giran los rotores y menos empuje de reserva queda para ascender o combatir las ráfagas. El diseño de aeronaves de inspección es una batalla por ese margen.

Un multirrotor no tiene superficies de control. Todo movimiento proviene de diferencias de velocidad entre motores. Frene ligeramente los motores delanteros y acelere los traseros, y la aeronave cabecea hacia delante; el empuje se inclina hacia delante y la aeronave acelera (T·sinθ en la figura). El alabeo funciona igual. Para detenerse, se inclina en sentido contrario y frena.

La guiñada funciona de otra forma. Una hélice en rotación produce un par de reacción que intenta hacer girar el fuselaje en sentido contrario. En un cuadricóptero, un par diagonal gira en sentido horario y el otro en sentido antihorario para que los pares se cancelen. Acelere un par y frene el otro manteniendo constante el empuje total, y solo queda el desequilibrio de pares: la aeronave gira sobre sí misma.

Un multirrotor es un vehículo inherentemente inestable que volcaría en segundos si se dejara solo. El controlador de vuelo lo mantiene arriba con control en cascada. De fuera hacia dentro, fija objetivos de posición, luego de velocidad, luego de actitud y luego de velocidad angular; el lazo más interno lee los giróscopos y manda a los motores. La mayoría de las etapas son controladores PID (que corrigen según el tamaño del error, P; su acumulación, I; y la rapidez con que cambia, D) o etapas más simples solo P (en PX4, por ejemplo, la posición usa P mientras que la velocidad y la velocidad angular usan PID).

El truco es que los lazos internos corren más rápido. Los errores de actitud crecen en un instante, así que el lazo de velocidad angular se ejecuta cientos de veces por segundo o más, mientras que el lazo de posición puede ser mucho más lento. El mezclador redistribuye «gira tanto alrededor de este eje» en velocidades individuales de motor. Un ajuste deficiente se nota cerca de las estructuras: la aeronave o bien sobrerreacciona a pequeñas perturbaciones o bien responde demasiado tarde y deriva.

La sensación de una aeronave que se recupera antes de volcar se aprende más rápido con las manos que leyendo. Pruebe los mandos en volar sobre un mapa del mundo en su navegador (Airffic Simulation, en japonés).

El control solo funciona si la aeronave conoce su estado actual. Ningún sensor por sí solo es de fiar, así que se combinan sensores de distinto carácter (normalmente con un filtro de Kalman extendido (EKF)) para estimar a la vez posición, velocidad, actitud e incluso los sesgos de los sensores.

El EKF reparte el trabajo: predice rápido con la IMU y corrige despacio con todo lo demás. Lo que importa es si puede detectar un sensor que miente y rechazarlo. Si el GNSS salta por multitrayecto bajo un puente, o la brújula se desvía por las vigas de acero, y el filtro sigue confiando en él, la aeronave puede derivar directamente hacia la estructura. Véase entornos sin GNSS, perturbación magnética y el siguiente capítulo sobre navegación.

Para aprender desde el principio qué aporta cada uno el GNSS, el barómetro y la brújula, véase una lección introductoria sobre cómo un dron sabe dónde está (Tobira, en japonés).

Con viento, un dron mantiene la posición inclinándose contra el viento. Cuanto más fuerte es el viento, más profunda es la inclinación y más empuje se va en horizontal, dejando menos margen para ascender o girar y agotando la batería más rápido. La clasificación de «viento máximo» de un fabricante es una guía para mantener la actitud en aire abierto, no una promesa de que puede fotografiar cerca de una estructura en flujo turbulento.

Las estructuras desvían, separan y desprenden el viento en vórtices. Detrás de las pilas, en las esquinas de los edificios y a sotavento de las torres de turbinas, las ráfagas cambian de dirección bruscamente. La aeronave tiene que medir la deriva antes de poder corregirla, así que siempre hay un retardo, y la distancia que deriva durante ese retardo fija la separación mínima respecto a la estructura. Véase viento y turbulencia.

El mismo viento se ve distinto desde el lado del transporte de carga. Compárelo con cómo el vuelo estacionario y el viento merman el alcance de reparto (Airffic Logistics).

Cuando un suelo, techo o pared está cerca de los rotores, el flujo de aire cambia y con él el empuje. La inspección consiste precisamente en acercarse a las estructuras, así que esto no se puede evitar.

Un multirrotor consume energía simplemente por mantenerse en el aire. La potencia de vuelo estacionario crece más rápido que el peso, así que añadir batería también añade la potencia necesaria para levantar esa batería: un dilema incorporado. Las baterías de litio almacenan mucha menos energía por kilogramo que el combustible, y los multirrotores de inspección típicos vuelan como mucho decenas de minutos.

• Frío: las bajas temperaturas reducen la potencia disponible y provocan caídas bruscas de tensión. Calentar las baterías antes del despegue. Frío y engelamiento
• Viento y peso: el viento fuerte, las cargas pesadas y los ascensos frecuentes agotan la batería más rápido de lo estimado.
• El camino de vuelta: en zonas con GNSS débil o en lo profundo de estructuras, el regreso tarda más. Fijar los umbrales de reserva según lo que cuesta volver.
• Salud de la batería: la capacidad se degrada con los ciclos y el almacenamiento. Llevar un registro por batería.

Si quiere cifras sobre cuánto tiempo le mantendrán en el aire una carga útil y una batería dadas antes de elegir una aeronave de inspección, puede estimar el tiempo de vuelo estacionario a partir de la masa del fuselaje y la batería (Airffic Architect). Los resultados provienen de un modelo de coeficientes, no de una medición en banco de empuje, así que mantenga ambas cosas separadas.

Una aeronave de ala fija genera sustentación a partir de la velocidad de avance (sustentación = ½ × densidad del aire × velocidad² × superficie alar × coeficiente de sustentación). No necesita rotores girando solo para mantenerse arriba, así que vuela mucho más lejos con la misma energía: ideal para activos lineales de decenas de kilómetros como oleoductos y gasoductos, líneas eléctricas, ferrocarriles y diques. Pero no puede detenerse ni acercarse.

Volar líneas largas casi siempre implica operaciones más allá de la línea visual (BVLOS). La barrera suele ser la coordinación del espacio aéreo y los procedimientos operativos más que la propia aeronave; continúa en operaciones remotas y BVLOS.