¿Cómo sabe un dron dónde está?

Qué aprenderás en esta lección

• Explicar cómo funciona el GNSS: el tiempo que tarda en llegar la señal de un satélite da una distancia, y varios satélites fijan la posición.
• Explicar qué miden el barómetro, la brújula y el flujo óptico, y en qué situaciones se equivocan con facilidad.
• Explicar por qué los sensores fiables cambian entre exteriores e interiores, y elegir los sensores adecuados para cada situación.
• Detectar perturbaciones o pérdidas del GNSS (multitrayecto, interferencia intencionada, suplantación de señal, interferencia magnética) y pilotar del lado seguro aunque el mantenimiento de posición no funcione.

Cómo se conoce la posición (GNSS)

Un dron «estima» su posición

Un dron no tiene ojos como una persona para mirar el paisaje y darse cuenta de que «estoy cerca de la estación», ni manos para desplegar un mapa. Lo único que tiene son los números de unos cuantos sensores.

Por eso el dron calcula su posición a partir de los números de los sensores. Mide, calcula y concluye «probablemente estoy aquí». A esto se le llama estimación de la posición.

Hallar la posición actual sumando pasos y direcciones se llama navegación por estima. El dron suma los movimientos que mide su IMU (un sensor inercial que combina acelerómetros y giroscopios). Como los errores se acumulan, de vez en cuando corrige su posición con pistas externas, como las señales de los satélites. Este ciclo de «estimar y corregir» es la base de la navegación.

Conocer la posición con las señales de los satélites

GNSS es el nombre genérico de los sistemas que miden la posición con las señales de satélites artificiales, como GPS (Estados Unidos) o Michibiki (Japón). Cada satélite transmite hacia la Tierra la información de su órbita y la hora a la que emitió la señal.

Los satélites no saben dónde está el dron. Es el receptor el que mide el tiempo de vuelo Δt de la señal a partir de la diferencia con la hora de llegada y calcula la distancia. Por ejemplo, los satélites GPS orbitan a unos 20 000 km de altura, y la señal de un satélite situado justo encima llega en unos 0.07 segundos (la altura de la órbita varía según el tipo de satélite). Se trata de medir tiempos muy cortos.

Con una sola distancia, solo puedes decir que estás en algún punto de un círculo (de una esfera, en el espacio). La figura es un ejemplo en el plano: con dos círculos quedan dos intersecciones, y el tercero lo reduce a un solo punto. Esto es la trilateración. En el espacio hay cuatro incógnitas, este-oeste, norte-sur y altura, más el desfase del reloj del receptor, así que se usan al menos cuatro satélites.

Cuando el GNSS falla

El GNSS es potente, pero no siempre es preciso. La distancia sale del «tiempo de vuelo de la señal», así que todo lo que altera el viaje de la señal se convierte directamente en error de posición.

Las causas principales son el retraso de la señal en la atmósfera, pequeños errores en los relojes y las órbitas de los satélites, y los reflejos en edificios y otros objetos. Además, si los satélites están mal distribuidos en el cielo, estos errores afectan mucho más a la posición. Incluso con el cielo totalmente despejado, la posición de un receptor corriente conserva un desvío de unos pocos metros, que varía según las condiciones.

• Multitrayecto y bloqueo: una señal reflejada en una pared se mide más larga por la longitud del rodeo, y la posición se desplaza. Si te rodean edificios altos, además se ven menos satélites.
• Interferencia intencionada (jamming): perturbación que tapa las débiles señales de los satélites con un fuerte ruido de radio. La posición «deja de salir».
• Suplantación de señal (spoofing): perturbación que hace creer al receptor una posición o una hora erróneas mediante señales de satélite falsas. La posición «sale», pero es incorrecta, así que a veces cuesta darse cuenta.

Ejercicios de esta parte (se resuelven dentro de la lección)

• Cómo determina el GNSS una posición
• ¿Cuántos metros es 1 microsegundo de error de reloj?
• Encuentra dónde se estrecha el cielo

Pistas distintas del GNSS

Pistas para la altura, el rumbo y el movimiento

Con el cielo abierto, el GNSS te da tu posición, pero la altura suele tener más error que la posición horizontal. Además, un GNSS corriente (con una sola antena) obtiene el rumbo a partir de la dirección en que te has movido, así que, si estás parado, no puede dártelo. Otros sensores cubren estos puntos débiles.

• GNSS: conoce la posición absoluta a partir del tiempo de llegada de las señales de los satélites. Es débil cerca de edificios, en interiores y ante interferencias.
• Barómetro: conoce los cambios de altura a partir de la presión del aire. Es sensible a pequeñas subidas y bajadas, pero sus valores varían con los cambios de tiempo atmosférico y con el flujo de aire alrededor del dron.
• Brújula: conoce hacia dónde apunta el morro a partir de la dirección del campo magnético terrestre. Cerca del hierro, de corrientes eléctricas o de imanes, el campo magnético se altera y el rumbo se desvía. Esto es la interferencia magnética.
• Flujo óptico: una cámara orientada hacia abajo observa cuánto se ha movido el patrón del suelo en la imagen y calcula la velocidad. Funciona sin GNSS, pero le cuestan las superficies con poco patrón y los lugares oscuros.
• IMU: conoce el movimiento a corto plazo a partir de la aceleración y la velocidad angular. Es rápida y no depende del exterior, pero su error se acumula con el tiempo.

En qué confiar en interiores

En interiores, las paredes y el techo debilitan las señales de los satélites, así que a menudo el GNSS no se puede usar. En edificios con mucha estructura de acero, la brújula también se altera con facilidad. Las pistas en las que puedes confiar cambian según la situación.

• Campo abierto amplio: se pueden usar GNSS, barómetro, brújula e IMU. Presta atención a las señales de interferencia intencionada o suplantación.
• Entre edificios altos: el GNSS se altera por los reflejos y el bloqueo. Apóyate en el barómetro y la IMU, y no confíes solo en el GNSS.
• Almacén interior: confía en el flujo óptico, un sensor de distancia orientado hacia abajo y la IMU. El GNSS no funciona y la estructura de acero también altera con facilidad la brújula.
• Sobre el agua: se pueden usar GNSS, barómetro e IMU. La superficie del agua tiene poco patrón, así que el flujo óptico funciona mal.

Un sensor de distancia orientado hacia abajo mide directamente la altura sobre el suelo con sonido o luz. Combinado con el flujo óptico, te da a la vez el movimiento sobre el suelo y la altura. En interiores, el barómetro también puede medir pequeños cambios de altura, pero el aire acondicionado y sistemas similares pueden hacer variar la presión.

Lo importante es no depender de una sola pista. Combina puntos fuertes y débiles para que, si una falla, otra tome el relevo. También hay sistemas que colocan marcadores en el edificio de antemano y los usan como pistas de posición.

Ejercicios de esta parte (se resuelven dentro de la lección)

• Los sensores y sus puntos débiles
• Cuando el valor de la brújula es inestable
• ¿En qué puedes confiar en un almacén interior?

El mantenimiento de posición y su pérdida

Mantenimiento de posición y modo actitud

El mantenimiento de posición es el control que mantiene el dron en su sitio cuando sueltas los sticks, midiendo continuamente su propia posición. Observa cuánto se ha desplazado la posición medida y va empujando el dron de vuelta poco a poco, así que en modo GPS (el modo que mantiene la posición con GNSS) el dron se detiene en cuanto sueltas.

Al perder el GNSS, desaparecen las pistas de posición del GNSS. Si el flujo óptico y pistas similares tampoco se pueden usar (a mucha altura o sobre un suelo sin patrón, por ejemplo), el dron puede pasar a modo actitud (según el modelo). Entonces controla el plano horizontal solo con la inclinación, así que al soltar no tiene referencia para detenerse y deriva a sotavento.

Pruébalo tú mismo: Esta escena se puede probar dentro de la lección.

Ejercicios de esta parte (se resuelven dentro de la lección)

• Cómo sujetar un dron que deriva en modo actitud
• Pierde el GPS y aterriza con calma

Resumen

• La posición se determina hallando distancias a partir del tiempo que tardan en llegar las señales de los satélites, como el punto donde se superponen las distancias a varios satélites (al menos cuatro, contando el desfase del reloj del receptor).
• Las pistas de presión, magnetismo e imagen tienen cada una sus puntos fuertes y débiles. La presión te dice los cambios de altura, la brújula el rumbo y el flujo óptico el movimiento.
• En interiores, a menudo el GNSS no se puede usar, así que se confía en pistas del suelo como el flujo óptico. No dependas de una sola: combínalas.
• El GNSS se altera por reflejos, interferencia intencionada y suplantación. Si notas señales como saltos repentinos de la posición, no fuerces y decide aterrizar.
• Cuando se pierde el GPS y el dron pasa a modo actitud, no se detiene al soltar los sticks: el viento se lo lleva. Sujétalo empujando en contra de la deriva y aterriza con calma.

En el Lv2 expresarás la precisión con números mediante DOP y RTK, calcularás sistemas de coordenadas, distancias y rumbos, y comprobarás un plan de vuelo por waypoints con el linter.

Términos de esta lección

GNSS

Nombre genérico de los sistemas que miden tu posición con las señales de satélites artificiales, como GPS (Estados Unidos) o Michibiki (Japón). Sigla de Global Navigation Satellite System (sistema global de navegación por satélite).

trilateración

Método para determinar una posición cuando se conocen las distancias a tres o más puntos de referencia: la posición es el punto donde se cortan los círculos (esferas) que tienen esas distancias como radio.

navegación por estima

Método para hallar la posición actual sumando las direcciones y distancias recorridas desde un punto de partida. Los errores de medición se acumulan poco a poco.

altitud barométrica

Altura calculada a partir de la presión que mide un barómetro. Sigue bien los cambios de altura, pero su referencia se desplaza cuando el tiempo atmosférico cambia la presión.

brújula

Sensor que mide la dirección del campo magnético terrestre para saber hacia dónde apunta el dron (su rumbo).

flujo óptico

Método para hallar la velocidad del dron a partir de cuánto se mueve el patrón del suelo en la imagen de la cámara.

multitrayecto

Fenómeno por el que la señal de un satélite se refleja en un edificio u otro objeto y llega dando un rodeo. La distancia medida se alarga y la posición se desplaza.

interferencia intencionada

Perturbación que emite un fuerte ruido de radio para impedir que se reciban las débiles señales de los satélites (en inglés, jamming).

suplantación de señal

Perturbación que envía señales de satélite falsas para hacer creer al receptor una posición o una hora erróneas (en inglés, spoofing).

interferencia magnética

Alteración de la medida de la brújula por el campo magnético del hierro, las corrientes eléctricas o los imanes. La calibración se hace lejos del hierro.

mantenimiento de posición

Control que mantiene el dron en su sitio cuando sueltas los sticks, midiendo continuamente su propia posición.

modo actitud

Modo que no usa las pistas de posición del GNSS y en horizontal solo controla la inclinación del dron (muchos modelos siguen manteniendo la altura con el barómetro u otro sensor). Si sueltas, el viento se lleva el dron.

Compruébalo con tus manos

Esta página es el texto de la lección. Los ejercicios y los simuladores se usan dentro de la lección.

Ir a los ejercicios de «¿Cómo sabe un dron dónde está?»

Leer esta lección en otro idioma: 日本語 · English · Français