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DISEÑO Y EVALUACIÓN DE UN SISTEMA EMBEBIDO PARA

CONECTAR AL CONTROL DE VUELO DE UN VANT APLICADO A LA

INSPECCIÓN DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

Autor Ing. Andres Julian Moreno Moreno

Director Ing. Roberto Ferro M.Sc., Ph.D.

BOGOTÁ D.C. COLOMBIA

NOVIEMBRE 2019

“La ciencia es una forma de pensar, mucho más que un cuerpo de conocimientos.”

Carl Sagan

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DEDICATORIA

Dedico este proyecto a mi familia, y amigos, que siempre estuvieron apoyándome, presionando el

desarrollo de este proyecto de manera amable y motivadora.

AGRADECIMIENTOS

Al director de proyecto, docente y amigo, el Ph.D. Roberto Ferro Escobar, por su liderazgo, amistad, dedicación y valiosas guías y orientaciones brindadas a lo largo de mi desarrollo como profesional y

en las etapas de desarrollo de este proyecto.

A mi familia por el apoyo incondicional durante mi desarrollo académico y profesional.

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RESUMEN La aplicación de vehículos aéreos no tripulados VANT en el sector industrial es cada día más común, actualmente en el sector energético son usados para realizar la inspección de líneas de transmisión e infraestructura de las redes eléctricas. Al realizar el transporte de energía eléctrica las líneas de transmisión emiten campos electromagnéticos de frecuencia extremadamente baja (60Hz), el presente trabajo de investigación propone el diseño, conceptualización, simulación e implementación de un sistema electrónico que al conectarse al VANT le permita realizar una detección de campo magnético al momento de realizar operaciones de inspección visual en las líneas de transmisión eléctricas. Se describen los VANT, se estudian los campos emitidos por las líneas de transmisión y realizan simulaciones de elementos finitos para evaluar si el proyecto puede ser viable. El objetivo es que el vehículo aéreo sea capaz de determinar la intensidad de campo eléctrico o magnético y comunicar al controlador de vuelo del VANT la intensidad para actuar y lograr auto-protegerse de los efectos de los campos de la línea de transmisión.

ABSTRACT The application of unmanned aerial vehicles (UAVs) in the industrial sector is becoming more and more common, currently in the energy sector they are used to carry out the inspection of transmission lines and infrastructure of electrical networks. When transporting electrical energy, transmission lines emit extremely low frequency (60Hz) electromagnetic fields. This research work proposes the design, conceptualization, simulation and implementation of an electronic system that, when connected to the UAV, allows the detection of a magnetic field when performing visual inspection operations on electrical transmission lines. UAVs are described, the fields emitted by the transmission lines are studied, and finite element simulations are performed to evaluate whether the project can be viable. The objective is for the air vehicle to be able to determine the electric or magnetic field strength and communicate to the UAV flight controller the intensity to act and achieve self-protection from the effects of the transmission line fields.

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TABLA DE CONTENIDO

DEDICATORIA 2

AGRADECIMIENTOS 2

RESUMEN 3

ABSTRACT 3

TABLA DE CONTENIDO 4

LISTA DE FIGURAS 6

LISTA DE TABLAS 7

TÉRMINOS Y ABREVIACIONES 8

UNIDADES 8

1. INTRODUCCIÓN 9 2. Objetivos 11

2.1. General 11

2.2. Específicos 11

3. CAPÍTULO 1 - VANT - UAS 12

3.1. Tipos de VANT 13

3.2. Componentes del VANT 15

3.2.1. Sistema de Control de Vuelo 16

3.2.2. Sensores del VANT 17

3.2.3. Estación terrena ET 18

3.2.4. Payload, Carga útil o misión 19

3.2.5. Batería 19

3.2.6. Sistema de comunicaciones 20

3.2.7. Frame, estructura o fuselaje 21

3.2.8. Motores, controlador de velocidad. 23

3.2.9. Software de Vuelo 24

3.3. Aplicaciones en el sector civil de los VANT 26

3.4. VANT Usado en la investigación 3DR IRIS 29

3.5. Regulación y reglamentación para operaciones con VANT en Colombia 30

4. CAPÍTULO 2 - INSPECCIÓN DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN Y CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS 32

4.1. Líneas de transmisión eléctricas 32

4.2. Características y clases de líneas de transmisión 33

4.3. Distancia de seguridad de las líneas de transmisión 35

4.4. Inspección de líneas de transmisión 36

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4.5. Inspección de líneas de transmisión con VANT 39

4.6. Campos electromagnéticos en las líneas de transmisión 42

4.6.1. Campo eléctrico ELF emitido por líneas de transmisión 43

4.6.2. Campo magnético ELF emitido por líneas de transmisión 44

5. CAPÍTULO 3 - INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO 47

5.1. Simulación del campo electromagnético de las líneas de transmisión 47

5.2. Resultados de las simulaciones 51

5.3. Diseño del sistema electrónico propuesto 55

5.4. Interfaz sistema embebido con el VANT 59

6. Logros del proyecto 62 7. CONCLUSIONES 63 8. TRABAJO FUTURO 65 9. REFERENCIAS 66

ANEXOS 72

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LISTA DE FIGURAS Figura 1. VANT realizando operaciones de inspección visual en líneas de transmisión. Figura 2. VANT Referencia Phantom 4 de la empresa DJI. Figura 3. Estimación del mercado de los VANT a nivel mundial. Figura 4. Clasificación de VANT según su tipo de ala. Figura 5. Clasificación de VANT según su uso. Figura 6. Diagrama de sistemas y componentes de un VANT. Figura 7. Control de Vuelo opensource Pixhawk, Figura 8. Estación terrena usada para misiones con VANT. Figura 9. Bateria LiPo de 5100 mA, usada en el VANT IRIS. Figura 10. Sistemas de comunicaciones de un VANT. Figura 11. Tipos de fuselaje de VANT de ala fija. Figura 12. Fuselaje(frame) de un VANT de 4 rotores. Figura 13. Sistema de Actuadores y control de un VANT. Figura 14. Arquitectura del software PX4 para VANT. Figura 15. VANT de la Policía Nacional de Colombia. Figura 16. Modelo digital de Terreno realizado con VANT. Figura 17. Seguimiento a obra pública con VANT, Universidad Distrital. Figura 18. VANT IRIS de la empresa 3D Robotics. Figura 19. Líneas de transmisión eléctricas. Figura 20. Tipos de líneas de transmisión y distribución eléctricas. Figura 21. Torre de línea de transmisión y las partes que la integran. Figura 22. Inspección líneas de transmisión Figura 23. Casos de afectaciones en las líneas de transmisión Figura 24. Robot fijo para inspección de la línea de transmisión. Figura 25. Prototipo Mini Helicoptero para inspección de líneas de transmisión. Figura 26. VANT para inspección de líneas de transmisión. Figura 27. Modelos 3D de líneas de transmisión generados con la ayuda de VANT. Figura 28. Arquitectura de VANT aplicado a inspección de líneas de transmisión. Figura 29. Gráfica de inducción magnética sobre línea de transmisión. Figura 30. Campo magnético emitido por líneas de transmisión a 1 m del nivel del suelo. Figura 31. CAD de VANT-IRIS y líneas de transmisión en configuración Vertical. Figura 32. Construcción de CAD para línea de transmisión y UAV-IRIS de la simulación 1. Figura 33. Enmallado realizado con ICEM de ANSYS®. Figura 34. Configuración de Corriente eléctrica desfasada circuito de líneas de transmisión. Figura 35. CAD de línea de transmisión de 2 circuitos para la simulación 2.

Figura 36. Comportamiento de la Intensidad de campo magnético en dominio de simulación.

Figura 37. Campo de Densidad de campo magnético simulado.

Figura 38. Vista isométrica de campo vectorial de Densidad de flujo magnético en línea y VANT.

Figura 39. Densidad de flujo magnético . Figura 40. Densidad de flujo magnético simulado con MEF.

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Figura 41. Configuración de acople del sensor según hoja de datos. Figura 42. Campo magnético vs voltaje de salida del Sensor según hoja de datos. Figura 43. Diagrama esquemático de circuito propuesto para el sistema embebido. Figura 44. Circuito para la detección de campo magnético. Figura 45. Descripción del sistema con VANT completamente simulado. Figura 46. Operación de vuelo en VANT virtual ordenada por la detección de campo magnético. Figura 47. Descripción del sistema con VANT real 3DR-IRIS. Figura 48. VANT real 3DR-IRIS con sistema planteado integrado para pruebas en laboratorio.

LISTA DE TABLAS Tabla 1. Comparación de controles de vuelo de VANT. Tabla 2. Sistemas de comunicaciones principales de un VANT. Tabla 3. Distancia de seguridad y mediciones de campo magnético en líneas de transmisión. Tabla 4. Medición de campo eléctrico y magnético en diferentes líneas de transmisión.

Tabla 5. Densidad de flujo de campo magnético simulado. Tabla 6. Estudio de sensores de efecto Hall.

TÉRMINOS Y ABREVIACIONES

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ART - Aeronaves remotamente tripuladas operadas por la Aviación de Estado. ATS Servicios de tránsito aéreo. BVLOS - Vuelos más allá de la línea de vista. CAD - Diseño y dibujo asistido por computadora CEM - Campo electromagnético DMS - Distancia minima de seguridad ELF - Extremely Low Frequency EMF - Electromagnetic fields FEM - Método de elementos finitos FPV - Visión en primera persona GPS - Sistema mundial de determinación de la posición. GNSS - Global Navigation Satellite System IEEE - Instituto de ingenieros eléctricos y electrónicos LIDAR - Light Detection and Ranging o Laser Imaging Detection and Ranging NTC - Norma técnica Colombiana OACI - Organización de Aviación Civil Internacional RMS - Raíz media cuadrática RPAS - Remoted pilot aereal system sUAS - small Unmanned Aerial Systems UAS - Unmanned Aerial Systems UAV -Unmanned Aerial Vehicle VANT - Vehículo Aéreo no tripulado VLOS - Visual Line of Sight

UNIDADES

ft Pies gr Gramo °C grados centígrados mG miliGauss T Teslas kg kilogramo km kilómetro V Voltios A Amperios V/m Voltio por metro A/m amperio por metro H/m Henrios por metro

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1. INTRODUCCIÓN En la actualidad se realiza el proceso de inspección de líneas de transmisión y torres de alta tensión con procedimientos desactualizados de manera manual e insegura, generando la posibilidad de error en las mediciones obtenidas y accidentes que eventualmente le pueden costar la vida a los operarios de las empresas del sector energético. Se han implementado varias soluciones y prácticas a nivel mundial, donde el principal objetivo es la disminución de los errores al momento de realizar la inspección y disminuir el riesgo laboral. Algunas de las soluciones aplicadas actualmente son: Inspección de líneas de transmisión de alta tensión con helicóptero, donde los operarios son trasladados por este vehículo hasta las torres, evitando el riesgo al escalar, pero resulta en alto costo en recursos económicos y tiempo de desarrollo. Otra solución novedosa en países como España, Chile y Colombia es el uso de VANT (Marshall et al. 2016) para la inspección, minimizando considerablemente los gastos operativos, además de mejorar la seguridad en general para los funcionarios de las empresas energéticas, pero esta clase de vehículos presentan una serie de desafíos al momento de acercarse demasiado a las líneas de transmisión, debido al efecto del campo electromagnético en sus componentes y los posibles daños que puedan generar sobre la línea al fallar durante el vuelo. En busca de mejorar las soluciones y el uso de VANT para este tipo de actividades, se propone el desarrollo de un sistema que pueda proteger el vehículo del campo electromagnético y a su vez proteja la línea de transmisión de posibles problemas generados al realizar tareas de inspección sobre la misma. Actualmente este proceso lo realiza empíricamente el operador que controla el VANT de manera manual, limitándose a la experticia del mismo, donde es posible que se presenten errores humanos y aumente el riesgo del equipo y de la misión en general. El objetivo de la investigación planteada es el estudio de los VANT, documentando sus tipos, composición y aplicaciones, el estudio de los fenómenos asociados con campo electromagnético emitido por las líneas de transmisión y los procedimientos de inspección de las líneas, para proponer un sistema electrónico con sensores que puedan obtener información del campo electromagnético y pueda ser usado para que el VANT pueda detectar la influencia de los campos electromagnéticos, y se pueda asistir al piloto controlando el vuelo del vehículo en el momento de encontrarse expuesto al campo generado por las líneas de transmisión. En colombia actualmente la inspección de infraestructura, líneas de transmisión y subtransmisión es realizada en su mayoría por un equipo o cuadrilla de personal técnico capacitado que constantemente están expuestos a diferentes clases de riesgos al realizar procedimientos de esta clase, los riesgos y necesidad de realizar los procesos de inspección resultan en casos costosos en términos económicos y peligrosos afectando la integridad del personal, una posible solución y de bajo costo, es el uso de VANT para realizar los procedimientos de inspección visual necesarios (D. Jones 2005), el vuelo y operación de estos vehículos debe ser realizado por un operador o piloto experto cumpliendo la debida reglamentación (U. A. E. de A. C. de Colombia 2018), con experiencia y pericia al momento de realizar inspecciones en espacio aéreo cercano a la infraestructura de gran valor. Se requiere mejorar los procesos de inspección con este tipo de vehículos no tripulados VANT las líneas de transmisión y subtransmisión, al emitir en línea viva campos electromagnéticos de baja frecuencia las

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líneas de transmisión podrían afectar seriamente la operación del VANT cercano a la línea de transmisión generando un incidente que puede afectar la infraestructura y generando gastos económicos relacionados con la carga útil o dispositivos que integre el VANT.

Figura 1. VANT realizando operaciones de inspección visual en líneas de transmisión. Empresa Gas

Natural FENOSA España.(Fenosa 2017) Se propone esta investigación con el objetivo de mejorar el proceso y protección realizado por el VANT en inmediaciones de las líneas de transmisión, donde se busca generar un sistema electrónico basado en la lectura de campos electromagnéticos que evite que el VANT pueda verse afectado por campos electromagnéticos, esto en busca de reducir costos que se generen de accidentes del vehículo de inspección, costos de afectación en la salud y bienestar del personal, operatividad y reduciendo el tiempo de realización de la operación de inspección visual. Así como aumentar la calidad de la inspección y evitar el error Humanos. El resultado de este proyecto puede impactar la industria del sector eléctrico en gran medida, al reducir costos significativos a la hora de realizar inspección de líneas de transmisión de alta y media tensión. Adicionalmente el tiempo que tarda en realizar este procedimiento en la actualidad manualmente, se ve afectado por la distancia entre las torres de alta tensión y las zonas geográficas y condiciones de terreno donde se encuentran, siendo el VANT de gran utilidad, al realizar más inspecciones en menor tiempo, se disminuyen los costos de operación. El sistema que se propone mejora el trabajo en campo y la seguridad de los VANT, operarios e infraestructura de las líneas de transmisión. También puede influir positivamente la sociedad, porque evitará que una cuadrilla de personas exponga su vida al no tener que subir a las torres y líneas de transmisión para realizar la inspección visual. Esto puede verse reflejado en disminución de accidentes y errores humanos en la realización de la inspección y disminuir considerablemente la probabilidad de accidentalidad. El proyecto adicionalmente podrá impactar positivamente el desarrollo académico e investigativo de la universidad distrital, impulsando este nuevo tipo de desarrollo de tecnologías para el sector empresarial, y realizando transferencia de conocimiento directamente desde los grupos de investigación de la universidad, impactando la nación positivamente al lograr desarrollos de este tipo, los cuales pueden ser presentados en los principales países del mundo interesados en estos tópicos.

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2. Objetivos

2.1. General

Diseñar e implementar un sistema para la adquisición de datos de campo electromagnético, que permita evaluar estrategias de control de vuelo sobre un VANT aplicado a la inspección de líneas de transmisión de alta tensión.

2.2. Específicos

● Estudio de los sistemas de control de vuelos opensource de VANT. Capítulo 1 ● Revisión de la instrumentación necesaria y disponible en el ambiente de líneas de alta tensión

(campo eléctrico y magnético etc), para identificar el fenómeno medible. Capítulo 2 ● Diseñar e implementar un prototipo para un sistema de adquisición de datos de campos

electromagnéticos, que sea compatible con los controles de vuelo opensource de VANT en la actualidad. Capítulo 3

● Determinar las acciones de control de vuelo de un VANT en presencia de líneas de alta tensión y los elementos necesarios para el funcionamiento del sistema de adquisición propuesto. Capítulo 3

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3. CAPÍTULO 1 - VANT - UAS Una aeronave no tripulada o por sus siglas en inglés UAS es un robot que puede volar gracias a su configuración, el cual puede ser completamente autónomo o estar controlado remotamente, a esta tecnología emergente también se le conoce como Drones, UAV, RPAS o VANT, esta última haciendo referencia a vehículos aéreos no tripulados y de la cual hemos estado hablando en el presente documento. Un VANT es un sistema robótico complejo integrado por varios subsistemas que operan conjuntamente para lograr que el VANT logre sustentarse en el aire y realizar las operaciones y maniobras que sean determinadas por el operador. Actualmente son cada vez más populares en campos profesionales debido a su versatilidad, facilidad de uso y posibilidad de llegar a lugares inalcanzables para los humanos.

Figura 2. VANT Referencia Phantom 4 de la empresa DJI. Tomado de dji.com

El mercado actual de los VANT va en aumento exponencial, las aplicaciones industriales, el uso en entretenimiento, el apoyo tecnológico para los cineastas y la facilidad de adquisición y uso han disparado el uso de esta tecnología en los últimos años según la fundación Dronecode de la Linux Fundation, en la figura X se puede apreciar la gráfica del mercado actual de los VANT, se estima que para el 2021 el mercado alcance una inversión cerca de 21 Billones de USD, integrando soluciones con inteligencia artificial y completamente integrados a la nube y el IoT.

Figura 3.Estimación del mercado de los VANT a nivel mundial. Tomado de Dronecode.

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En el presente capítulo se describen los componentes de los VANT impulsados por hélices, los VANT con motores a reacción no están incluidos en el ámbito de este proyecto, las clases de aeronaves, las diferentes aplicaciones en el sector industrial, los tipos de control de vuelo, el software y hardware relacionado con la operación de estos sistemas, la regulación y reglamentación para operaciones en colombia con VANT. Se presentará el VANT con el cual se está desarrollando el proyecto y sus especificaciones técnicas.

3.1. Tipos de VANT

A la hora de clasificar los VANT se presenta una gran variedad en sus clases, tamaños, aplicaciones y desempeñó, inicialmente se divide en 2 categorías la cuales son aeronaves de tipo aerodino y aeroestato (van Blyenburgh 2006), aerodino hace referencia a aeronaves que son más pesadas que el aire(U. A. E. de A. C. de Colombia 2018), este tipo de aeronaves son las que se trabajan en este proyecto, aeroestato hace referencia a aeronaves que se sustentan principalmente por un gas más ligero que el aire, en la línea de la clase aerodino se divide en dos grandes categorías que generalizan y agrupan los tipos de VANT, la clase que de VANT que se trabaja en este proyecto es de ala rotatoria, la otra gran categoría es los de ala fija, los cuales son similares a un avión.

Figura 4. Clasificación de VANT según su tipo de ala.

De acuerdo a su uso y aplicación también se dividen en VANT de uso militar y uso civil según la AESA (Agencia Estatal de Seguridad Aérea de España) , a su vez el uso civil de divide en uso comercial o uso de aficionado, es muy importante tener en cuenta el uso y la aplicación de los VANT, de acuerdo a esto aplicara la reglamentación establecida en cada uno de los territorios donde operen las aeronaves. (de Aviación Civil Internacional OACI 2011)

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Figura 5. Clasificación de VANT según su uso.

De acuerdo a la reglamentación colombiana más reciente emitida a finales del 2018 (U. A. E. de A. C. de Colombia 2018) la clasificación de los VANT se divide de acuerdo a las operaciones realizadas en 3 clases; clase A que corresponde a operaciones realizadas con un VANT que pese entre los 500 gr y 25 Kg, clase B la cual corresponde a operaciones realizadas con VANT que pesen entre 25 Kg y 150 Kg, por último la clase C que corresponde a operaciones realizadas con VANT con peso mayor a 150 Kg, es importante mencionar que para esta clase de operaciones aún no se cuenta con permiso sobre el espacio aéreo colombiano. Es importante resaltar que de las 3 clases mencionadas en la resolución reglamentaria para el espacio aéreo colombiano, las operaciones más comunes de VANT las cuales corresponden a la clase A no requiere permiso de la Autoridad Aeronáutica Aérea del Estado colombiano, pero si se establecen los requisitos mínimos para realizar trabajos con esas aeronaves, los cuales se especifican más adelante en este capítulo. Para los VANT de tipo militar existe una clasificación según su peso (van Blyenburgh 2006), su nivel de tomar decisiones de autonomía y alcance máximo.(Carretero 2002)

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3.2. Componentes del VANT

Los elementos y componentes de un VANT clase A para operación civil de acuerdo a las regulaciones y operaciones en Colombia se basan en la interacción de elementos y sistemas tecnológicos, en la siguiente figura se muestra un diagrama general del VANT integrando sus componentes principales y relación son subsistemas para su funcionamiento. (Marshall et al. 2016)

Figura 6. Diagrama de sistemas y componentes de un VANT.

Los VANT depende de los subsistemas tecnológicos para poder realizar operaciones de acuerdo a la figura 6, se realiza la descripción de cada uno de los subsistema a continuación:

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3.2.1. Sistema de Control de Vuelo

El subsistema principal del VANT es el control de vuelo, o también conocido como el autopiloto, basado en un microprocesador de diferentes especificaciones técnicas de acuerdo a su tipo, precio y aplicación, el autopiloto establece la programación y configuración del actuar de la aeronave autónoma y remotamente controlada, basado en la información que obtiene de los diferentes sensores, toma decisiones sobre los actuadores y con base en su configuración realiza las operaciones requeridas para poder sustentar la aeronave en el aire y cumplir la misión para la cual ha sido diseñado. En la actualidad existen diferentes controladores de vuelo en el mercado, soluciones privadas de las grandes empresas del mercado y los controladores de vuelo basados en opensource, en este proyecto se profundiza y realizan actividades sobre el controlador de vuelo opensource pixhawk apoyado por la comunidad de la Linux Fundation y el programa Dronecode, (Linux Foundation Collaborative Project 2018) el cual contiene una serie de herramientas y documentación para el desarrollo de proyectos basados en esta tecnología.

Figura 7. Control de Vuelo opensource Pixhawk. Tomado de dronecode.com

El mercado de autopilotos para VANT de uso civil en al actualidad se encuentra en aumento, se presenta gran variedad para trabajar proyectos basados en código abierto, en página web del proyecto Dronecode se encuentra la documentación necesaria para iniciar un proyecto con cualquier autopiloto del mercado de código abierto. (Linux Foundation Collaborative Project 2018), a continuación se presenta el análisis de los controles de vuelo open source; Para la realización de este proyecto y con base en los VANT disponibles en el sector comercial, es viable realizar la investigación sobre un control de vuelo Open source el cual permita acceder a su software y realizar las modificaciones necesarias para el control y evaluación de la operación en vuelo del VANT, en la tabla 2 se realiza un resumen de la comparación de los controles de vuelo con las características mencionadas y la selección del ideal para trabajar en este proyecto.

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Tabla 2. Comparación de controles de vuelo de VANT.

Nombre comunidad

de desarrollo Precio USD

modos de vuelo

vuelo autónomo

Pixhawk SI 120 SI SI

CopterControl / CC3D SI 50 SI SI

Pixhawk 2.1 Cube SI 300 SI SI

APM Flight Controller SI 100 SI SI

Navio2 SI 205 SI SI

BeagleBone Blue SI 250 SI SI

Naza Flight Controller NO 200 NO SI

Naze32 NO 40 SI NO

HKPilot32 NO 0 NO NO

Pixfalcon NO 150 SI NO

CUAV NO 188 SI SI

Snapdragon NO 200 NO NO

OCPoc NO 600 NO SI

Algunas de las variables relevantes que se tienen en cuenta para la selección del controlador de vuelo son si el control de vuelo cuenta con comunidad y entorno de desarrollo para su software, las características técnicas del procesador del controlador de vuelo, la posibilidad del control de integrarse con sensores y periféricos, la cantidad de puertos de comunicaciones, entrada y salida disponibles del procesador, la capacidad de almacenar logs o caja negra del controlador, la posibilidad de acceder a su software de control de vuelo para realizar configuraciones y modificaciones de operación del control de vuelo, disponibilidad en el mercado y precio, así como su entorno para desarrollo. De acuerdo al estudio de los controladores revisados, se selecciona el controlador de vuelo Pixhawk 1 de referencia 3DR, lo anterior debido a su versatilidad para el desarrollo de aplicaciones académicas y de investigación, su facilidad de adquisición en el mercado y al encontrarse en kit de desarrollo junto a sensorica, periféricos y estructura, resulta la mejor opción para trabajar. viene integrado al VANT IRIS de la empresa 3D Robotics.

3.2.2. Sensores del VANT

La información de altura, velocidad, posición, trayectorias, velocidad del viento, dirección entre otras, es esencial para la operación y navegabilidad de la aeronave, cada VANT cuenta con una configuración e integración de diferentes tipos y clases de sensores que son capaces de entregar la

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información durante el funcionamiento de la aeronave al control de vuelo y a su vez remitir a través de enlaces de comunicaciones al operador. Los sensores de altitud y altura por ejemplo gracias a la medición de la presión atmosférica y realizando un cálculo pueden basados en la lectura de unidades de presión atm son capaces de determinar la altura a la cual está realizando la operación aérea la aeronave. (Raquel Vergara, Aníbal Hernández, David Virués, Sergio Bernando, David Ramos, José García 2016) Para ubicar la posición, inclinación y dirección de la aeronave generalmente se usan sensores como los giroscopios, magnetómetros y acelerómetros, los cuales sumados son capaces de entregar información precisa sobre el actuar de la aeronave, debido a estas lecturas y recepción de información el sistema de control de vuelo es capaz de tomar acciones sobre los actuadores y sistemas de sustentación, realizando operaciones aéreas básicas y tareas programadas como vuelos autónomos. Gracias la geolocalización debida a la integración de sensores que son capaces de entregar información al VANT en coordenadas geográficas, es posible determinar la posición de la aeronave en un mapa en tiempo real.

3.2.3. Estación terrena ET La estación terrena o estación de control terrestre es un sistema que es capaz de recibir y enviar información al VANT, se integra principalmente por un sistema de telemetría el cual es el canal de comunicaciones para recibir los datos de las variables del VANT en tiempo real cómo saber su posición, velocidad, altura, etc. El cual permite visualizar de manera gráfica y en pantalla lo que sucede en el vehículo.

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Figura 8. Estación terrena usada para misiones con VANT. Tomado de misión planner.

3.2.4. Payload, Carga útil o misión La carga útil de un VANT de uso comercial varía de acuerdo su aplicación, en la mayoría de las aplicaciones la carga útil es una cámara fotográfica con posibilidad de grabar video de alta calidad, entonces la carga útil es el dispositivo o sistema que lleva el VANT para cumplir su misión, por ejemplo un VANT usado para inspección de líneas de alta tensión lleva como carga útil una cámara térmica con posibilidad de detectar puntos calientes.

3.2.5. Batería La mayoría de VANT comerciales y usados en el mercado está alimentados por baterías de polímero de litio, en el mercado llamadas LiPo(Gulbinska 2014), gracias las propiedades de sus materiales son capaces de entregar gran cantidad de corriente, lo que se traduce en gran cantidad de potencia teniendo en cuenta los voltajes de funcionamiento y su densidad de energía, además de contar con una velocidad de descarga alta y un peso ligero presentan la tecnología actual más adecuada para implementar en los VANT. Las baterías LiPo están compuestas por un cableado principal y un cableado de balance de carga, esto debido a que cada batería está compuesta por celdas que tienen un voltaje de 3.7 V, y cada batería tiene una capacidad máxima expresada en mha (miliamperios hora), de acuerdo a la cantidad de celdas se presenta el voltaje, por ejemplo una batería de las más comunes es la batería de 5100 mA de 3S a 11.1 V (3 celdas en serie).

Figura 9. Bateria LiPo de 5100 mA, usada en el VANT IRIS.Tomado de 3DRobotics.

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3.2.6. Sistema de comunicaciones Los VANT cuentan con diferentes sistemas de comunicaciones de acuerdo a su clase, tipo, uso y/o labor, generalmente estos vehículos integran 4 sistemas de comunicaciones principalmente, los cuales son fundamentales para su adecuado funcionamiento y cumplimiento de la misión designada por el operador, en la siguiente tabla se observan los sistemas de comunicaciones, las frecuencias usadas de acuerdo a la reglamentación de uso de frecuencias electromagnéticas en el país (Pedraza, Forero, and Paez 2014) donde se realicen las operaciones. Tabla 2. Sistemas de comunicaciones principales de un VANT.

Sistema de Comunicaciones Frecuencia de uso en Colombia

Telemetría 850 - 950 MHz

Radiocontrol 2.3GHz. – 2.5GHz

Transmisión de Video 2.4GHz – 5.8GHz

GNSS - GPS - GALILEO 1227.60 MHz - 1575.42 MHz

El sistema de comunicaciones llamado telemetría se encarga básicamente de enviar en tiempo real información estratégica del VANT, como lo son su posición, altura, velocidad, entre otras, generalmente el sistema de telemetría es el que funciona a menos frecuencia debido a que requiere estar la mayor parte del tiempo reportando a tierra, por lo que al contar con una menor frecuencia, es mayor la distancia que puede cubrir en la transmisión de comunicaciones. El sistema de Radiocontrol de acuerdo al tipo de VANT puede ocupar hasta 16 Canales, este sistema permite controlar el VANT en tiempo real y de manera completamente manual si así lo considera el operador del VANT, en la mayoría de la reglamentación para operaciones con VANT, (U. A. E. de A. C. de Colombia 2018) es obligatorio contar con el sistema de radio control para operación manual, esto debido a que en la actualidad los VANT son capaces de realizar un amisión completamente autónoma desde su despegue hasta aterrizaje, si algún problema se presenta con el actuar de la aeronave el sistema de radio control permite interrumpir inmediatamente y tomar el control de vuelo.

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Figura 10. Sistemas de comunicaciones de un VANT.

El sistema de transmisión de vídeo, varía alternando entre las frecuencias mencionadas en la tabla de acuerdo a las características técnicas del video y los requerimientos de la operación con la Aeronave, por ejemplo para los VANT tipo racer, los cuales son usados para carreras la transmisión de video se realiza por un canal de video analogico, para un VANT de fotografia, generalmente la transmisión de video ya viene codificada digitalmente. El cuarto sistema de comunicaciones es de vital importancia para el VANT, pues gracias al sistema la aeronave es capaz de ubicarse en el espacio, obteniendo unas coordenadas geográficas expresadas en latitud y longitud. Con estos datos se puede ubicar fácilmente la aeronave en un mapa georeferenciado en tiempo real, generalmente esta información es obtenida de un sistema GNSS.

3.2.7. Frame, estructura o fuselaje De acuerdo a la clase de VANT, se define su fuselaje el cual es el principal elemento de la estructura del vehículo, generalmente dependiendo de las necesidades está fabricado en materiales altamente resistentes y livianos, de acuerdo al tipo de VANT se establece la forma. Por ejemplo para un VANT de ala fija hay varias clases de fuselaje dependiendo los requerimientos para el cual sea usado, una estructura tipo delta o estructura con cola y timón, como se muestra en la Figura 11.

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a)Skywalker X8 Ala delta. Tomado de

https://www.rcmodelscout.com

b) Skywalker Condor timón de cola. tomado de

https://www.rcmodelscout.com

Figura 11.Tipos de fuselaje de VANT de ala fija. En esta investigación se trabaja con un VANT de tipo multi-rotor de cuatro hélices o motores, el cual se fabrica generalmente en fibra de carbono, este fuselaje concentra su carga útil y componentes en el centro, requiriendo gran rigidez en sus brazos para lograr realizar operaciones aéreas, para cubrir sus circuitos y componentes generalmente se usan carcasas de plástico o fibra de carbono modulares las cuales permiten rápidamente acceder al interior del vehículo. La figura 12 muestra el fuselaje de un VANT de 4 motores.

Figura 12. Fuselaje(frame) de un VANT de 4 rotores. Tomado de hobbyKing.com.

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3.2.8. Motores, controlador de velocidad. Los motores eléctricos son los más usados en los VANT de tipo comercial, principalmente por su facilidad de uso, calidad de funcionamiento y versatilidad. De acuerdo a la configuración de la aeronave se determinará qué tipo de motores, distribución y potencia se deben instalar de acuerdo a las necesidades y los requerimientos del vuelo, existen varias clases de motores eléctricos, los cuales se dividen en 2 grandes clases, los cuales son los que funcionan por corriente continua Brush o escobillas , y los motores que funcionan por corriente alterna trifásica sin escobillas. (Ortega et al. 2016) Existen otros tipos y clases de motores y actuadores usados en los VANT, los cuales no son motivos de esta investigación, actualmente los VANT con motores a reacción empiezan a aparecer en el mercado para operaciones civiles. Para lograr que la aeronave logre sustentabilidad el motor sin escobillas es el más usado, debido a las altas RPM que se requiere, su control es más difícil que un motor DC para poder controlarlo se requiere un controlador de velocidad o ESC por sus siglas en inglés Electronic Speed Controller, el cual se encarga de traducir una señal PWM de control a las tres señales alternas que requiere el motor. En la actualidad existen infinidad de motores brushless y controladores, por lo cual se debe procurar realizar las configuraciones de los VANT de acuerdo a sus especificaciones técnicas, como RPM y corriente, la corriente de manejo del controlador debe ser igual o mayor que el motor a controlar.

Figura 13. Sistema de Actuadores y control de un VANT. Tomada de Dronecode, Yunnec y

quadcopters.co.uk

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El componente final del cuerpo de actuadores son las hélices, las cuales cuenta con el perfil aerodinámico que gracias a su configuración y diseño permiten a la aeronave sustentarse en el aire y generar el empuje para el VANT, las hélices cuentan con un cuerpo y diseño especial que de acuerdo a sus configuraciones de ángulo de ataque, perfil aerodinámico y materiales aumentan o disminuyen variables de vuelo en el VANT, como lo son por ejemplo la cantidad de batería usada en el vuelo y tiempo de vuelo.(Raquel Vergara, Aníbal Hernández, David Virués, Sergio Bernando, David Ramos, José García 2016).

3.2.9. Software de Vuelo El software que hace posible el funcionamiento de un vehículo aéreo no tripulado VANT se encuentra alojado en el procesador del control de vuelo principalmente, en algunas aeronaves es complementado por procesadores y componentes adicionales. Este software o firmware de los VANT varía dependiendo directamente del tipo de controlador de vuelo usado en la aeronave, para los equipos de DJI el software es privado, es decir se debe pagar para poder acceder a variaciones del código fuente que a su vez permite realizar diferentes operaciones con el VANT, por esta razón en este proyecto se documenta el software de vuelo de naturaleza open source, al igual que el control de vuelo, esto permite al usuario poder acceder a al software y realizar operaciones directamente sobre el código, ampliando las posibilidades de uso del sistema. De acuerdo a los parámetros de configuración del software y gracias a la información que se obtiene de los diferentes sensores, es posible mantener la aeronave en vuelo realizando operaciones de control directamente sobre las aeronaves. el software usado en esta investigación es una variación del código fuente famoso Ardupilot, el PX4-autopilot, el cual va ligado a la fabricación del controlador de vuelo mencionado anteriormente. Este software cuenta con diferentes aportes a nivel mundial provenientes de diferentes grupos de investigación y desarrollo, que constantemente nutren el sistema y sus ventajas al igual que un sistema operativo Linux, es de arquitectura modular y expandible lo que facilita tareas de desarrollo y entendimiento del código fuente como se muestra en la figura 14, permite variar el tipo de aeronave o dispositivo usado en la aeronave, una de sus bases de desarrollo es lograr la optimización de uso de energía en el VANT, cuenta con el desarrollo de diferentes modos de vuelo para la operación de los equipos y herramientas de desarrollo SDK, lo cual permite y facilita desarrollar módulos de software complementarios a todas sus facultades. Actualmente la versión estable de este software es la PX4 v1.9, en septiembre de 2019 se lanzará la nueva versión integrando mejoras significativas en la operación del software en los equipos VANT. (Linux Foundation Collaborative Project 2018) El software permite realizar simulaciones en equipos Linux y MAC, realizar el cargue del software y realizar tareas de desarrollo, debuging y testing.

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Figura 14. Arquitectura del software PX4 para VANT. (Tomado de http://dev.px4.io)

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http://dev.px4.io/

3.3. Aplicaciones en el sector civil de los VANT

Actualmente existe gran variedad en la clase de vehículos aéreos no tripulados VANT de uso civil en el mercado, de acuerdo a la clase, misión y configuraciones técnicas pueden cubrir grandes campos de acción no solamente en la ingeniería, a continuación se presentan algunas de las aplicaciones más comunes en el sector:

● Sistemas de envío de paquetes a través de VANT se están implementando alrededor del mundo en la actualidad, por empresas privadas de mensajeria, asi como empresas especializadas enviando una única clase de elemento, por ejemplo en África se realizan envíos diarios con VANT de sangre, debido a la distancia y costos de transporte resulta efectivo usar estas aeronaves para enviar sangre y medicamentos a las zonas rurales alejadas de los centros médicos (Zipline 2014).

● Las empresas de seguridad privada actualmente implementan servicios y aplicaciones orientadas a la vigilancia y seguridad de infraestructura física, territorios y zonas, de acuerdo a la carga útil con la que cuente la aeronave se logran realizar operaciones con cámaras térmicas e infrarrojas que permiten cubrir terreno rápidamente, lo cual convierte estos vehículos en un aliado estratégico de la seguridad en el mercado. Actualmente también son implementados como herramienta para la policía y diferentes ramas de la misma.

Figura 15. VANT de la Policía Nacional de Colombia. tomado fotografías presidencia de la república

de Colombia. (de la República de Colombia 2019)

● En los últimos años, los VANT son ampliamente utilizado para procesos de teledetección, donde se adquiere información estratégica en tiempo real (Diaz-Varela et al. 2014)

● Aplicaciones enmarcadas en procesos de investigación y desarrollo de diferentes universidades en el sector de comunicaciones, específicamente en redes Ad-hoc vehiculares,

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donde se usan los VANT para ayudar en el proceso de enrutamiento de datos en las redes VANET. (Oubbati et al. 2017)

● Los VANT han impactado los diferentes campos de la agricultura, convirtiéndose en una herramientas estratégica de adquisición de información y acción para el agricultor, realizando tareas de monitoreo y supervisión, actualmente los VANT son aliados estratégicos en la agriculturas de precisión, gracias a la implementación de sensores espectrales y multiespectrales se adquiere información que ayuda a obtener información del estado vegetativo de algunas clases de cultivos (Lizarazo, Angulo, and Rodríguez 2017). Actualmente se desarrolla e investigan sistemas integrados por varios vehículos que puedan realizar tareas en conjunto para optimizar el aprovechamiento de las aeronaves..(Doering et al. 2014)

● El uso de los VANT en aplicaciones de Ingeniería civil y topografia, van desde la generación de modelos de terreno en 3D y modelos de curvas de nivel con información adquirida por las aeronaves, hasta la inspección, monitoreo, medición y seguimiento de contrucción de obras, de acuerdo a su uso en estas ciencias, las características, precio y alcances y limitaciones de los VANT varían drásticamente.

Figura 16. Modelo digital de Terreno realizado con VANT. (Liu et al. 2014)

Sin tripulación los vehículos aéreos (UAV) son un método eficaz para obtener información desde una perspectiva adicional, y pueden aportar beneficios significativos a la ingeniería civil. Con el aumento de la tecnología y sensores implementados en los VANT, aparecen nuevas aplicaciones potenciales como lo son la evaluación del riesgo sísmico, respuesta a los desastres naturales, gestión de la construcción, topografía y cartografía, y vigilancia y evaluación de las inundaciones. (Liu et al. 2014)

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Figura 17. Seguimiento a obra pública con VANT, Universidad Distrital.

● En la era actual, hay demasiados desarrollos en la agricultura de precisión para aumentar la

productividad de los cultivos. Los campos agrícolas se enfrentan a pérdidas dramáticas debido a las enfermedades. Estas enfermedades provienen de las plagas e insectos, lo que reduce la productividad de los cultivos. Los pesticidas y fertilizantes se utilizan para matar a los insectos y plagas con el fin de mejorar la calidad de los cultivos. La OMS (Organización Mundial de la Salud) estimó en un millón de casos de enfermedades al rociar manualmente los plaguicidas en el cultivo. Los vehículos aéreos no tripulados VANT de clase avión se utilizan para rociar los pesticidas para evitar los problemas de salud de los seres humanos cuando se rocían manualmente. (Mogili and B B V 2018)

● Las ciudades se convierten en ciudades inteligentes, aumentando su sostenibilidad e innovación basados en tecnologías del a información y las comunicaciones, lo cual mejora la calidad de vida de las personas, la eficiencia de operaciones y servicios urbanos, y convierten a una ciudad en competitiva. (Rønne 2018) Los VANT se convierten en un componente de la ciudad inteligente, al ser una herramienta que aporta a la solución e innovación de procesos en la ciudad, ejemplo de esto, es la implementación de estas aeronaves en el control y monitoreo de la movilidad y tráfico vehicular en una ciudad, seguimiento de obras públicas, monitoreo del ambiente entre otras.

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3.4. VANT Usado en la investigación 3DR IRIS

El VANT que se usará en el desarrollo del proyecto es de la empresa 3DRobotics (3DR 2019), la referencia es IRIS, es uno de los primeros equipos de código abierto puestos a la venta hacia finales del 2013, por su facilidad de uso, configuración, piloto automático y la versatilidad de sus componentes resulta la plataforma adecuada para realizar experimentos, pruebas y desarrollos, los cuales podrán ser desarrollados en el mismo sistema que usan los VANT en el sector comercial y militar en Colombia.

Figura 18. VANT IRIS de la empresa 3D Robotics.

El Iris en un VANT con un diseño compacto, duradero y ligero, controlado por el control de vuelo Pixhawk, del proyecto de hardware abierto PX4, su estructura está compuesta por brazos de gran ángulo y ranuras para poder sujetar diferentes dispositivos o soportes de cámaras, el VANT cuenta con un radio control con la capacidad de personalizar tareas y funciones. Debido al firmware de su piloto automático heredado de APM:Copter (McGriffy 2016) este VANT cuenta con capacidades de funcionamiento autónomas las cuales incluyen, despegue y aterrizaje autónomo, capacidad de planificación de misión con navegación GPS, control de altitud, retorno al punto de despegue y capacidad de realizar movimientos preestablecidos en los 3 ejes de navegación. El Iris está compuesto por su estructura fabricada en material Zytel Nylon® de alta resistencia impreso en 3D, radio control de la marca FRSky, baterías de polímero de litio, sistema de telemetría inalámbrica a 915 Mhz con adaptador para conectar a computador o dispositivo movil. Al trabajar con este VANT se cuenta con múltiples opciones de control que proporcionan redundancia y flexibilidad, datos inalámbricos para monitoreo, registro y control de misión en tiempo real gracias a la telemetría, un potente software (Mission planner) multiplataforma de planificación y análisis de estaciones terrenas y misiones que se ejecuta en Windows, OS X y Linux, y que proporciona una programación y configuración de las misiones y el VANT. Aplicaciones móviles que permiten la planificación intuitiva de la misión y acceder a la configuración del VANT, capacidad de planificar misiones con waypoints GPS preprogramados, los cuales permiten realizar de misiones de nivel profesional, tales como: cartografía, cinematografía con guiones, investigación científica y otras aplicaciones en las que se requieren planes de vuelo repetitivos, el VANT cuenta con la capacidad de crear geozonas para mantener el vehículo en un espacio específico definido por el operador, cuenta con opciones de programación a prueba de fallos, lo que proporciona tranquilidad en caso de pérdida

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de la señal de control, GPS o condiciones de batería baja, gracias al puerto externo micro-USB lo hace ideal para la carga de configuraciones rápidamente, sin necesidad de desarmar el vehículo. Al ser de código abierto, el software de la estación terrena y la electrónica se distribuyen libremente bajo licencias estándar de acceso libre. Esto significa que las capacidades de IRIS siempre están mejorando y expandiéndose con una simple actualización del firmware, y adicionalmente se pueden implementar nuevas funcionalidades y/o operaciones preprogramadas por el operador, lo que lo hace ideal para ambientes de desarrollo y pruebas en laboratorio. Especificaciones técnicas:

● Dimensión del motor al motor: 550 mm ● Altura: 100 mm ● Peso (con batería): 1282 gr ● Tiempo estimado de vuelo: 10-15 minutos ● Capacidad de carga útil de 425 gr (0.9 lb) ● Batería: Polímero de litio de 3 celdas 11.1 V @ 3.5 Ah con conector tipo XT-60. Peso: 262

gr. ● Hélices: (2) 10 x 4,7 rotación normal, (2) 10 x 4,7 rotación inversa ● Motores: CA 2830, 850 kV ● Sistema de comunicación de telemetría a 915mHz ● Sistema de control de vuelo Pixhawk de 32 bits de nueva generación con procesador Cortex

M4 ● GPS uBlox con magnetómetro integrado ● Radio Control RC de 9 canales preprogramado para los modos de vuelo más populares de

APM.

3.5. Regulación y reglamentación para operaciones con VANT en Colombia

Las operaciones comerciales y aficionadas con VANT en Colombia han tenido un aumento exponencial en los últimos años, debido al número de operaciones y con el objetivo de evitar el uso indebido de esta tecnología la la Aeronáutica Civil de Colombia desde el 2015 a traves de la CIRCULAR REGLAMENTARIA N" 002 - REQUISITOS GENERALES DE AERONAVEGABILIDAD y OPERACIONES PARA RPAS (A. C. Colombia 2015), presenta la normativa básica que debe cumplir un operador de VANT para realizar actividades comerciales en espacio aéreo colombiano, presentando novedad en la región al momento de reglamentar estas operaciones y basándose en la normatividad expedida por la Organización de Aviación Civil Internacional OACI - Sistemas de aeronaves no tripuladas (UAS) en el 2011 (de Aviación Civil Internacional OACI 2011). Para Colombia actualmente se cuenta con la Resolución Número 4201- Por la cual incorporan a la norma RAC 91 de los Reglamentos Aeronáuticos de Colombia unas disposiciones sobre operación de sistemas de aeronaves no tripuladas UAS y se numeran como Apéndice 13, y se adoptan otras disposiciones de la Unidad Administrativa Especial de Aeronáutica Civil de Colombia(U. A. E. de A. C. de Colombia 2018), esta resolución deroga la circular Nº 2 del 2015 y presenta gran novedad incluyendo a la comunidad en su construcción y perfeccionamiento.

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Para poder operar un VANT con fines comerciales se debe clasificar la operación de acuerdo al peso de la aeronave;

● CLASE A - VANT con un peso entre 500 gr y 25 Kg. ● CLASE B - VANT con un peso entre 25 Kg y 150 Kg. ● CLASE C - VANT con peso mayor a 150 Kg.

De acuerdo a la resolución 4201(U. A. E. de A. C. de Colombia 2018), la aeronave que se opera en este proyecto VANT IRIS es de clase A, por lo que si se requiere realizar operaciones se debe cumplir con las siguientes condiciones, para mayor detalle se recomienda revisar la reglamentación emitida por la autoridad aérea en la resolución en mención RAC 4201:

● La aeronave deberá tener un peso máximo de hasta 25 kg. ● La aeronave no deberá exceder, en su velocidad máxima los 80 km/h o 22 m/seg. ● El operador deberá mantener la aeronave no tripulada en el alcance de línea de vista (VLOS)

en un radio máximo de operación de 500 m horizontales durante todas las fases del vuelo. Si la pierde, deberá interrumpir inmediatamente la operación.

● La operación no podrá efectuarse directamente sobre público, reuniones de personas al aire libre, aglomeraciones de edificios, ciudades u otras áreas pobladas.

● La operación deberá llevarse a cabo solamente en horas diurnas. ● La aeronave no podrá sobrepasar la altura de 123 m sobre tierra o sobre agua. ● No se podrá operar desde un aeródromo o en sus proximidades dentro de un radio de 9 km

desde el ARP. ● No se podrán realizar operaciones dentro de un radio de 1 km (0,6 NM) alrededor del

perímetro de bases militares o de policía, cárceles, infraestructura crítica o de cualquier aeronave tripulada en operación.

● No se podrán realizar operaciones a menos de 3,6 km (2 NM) de áreas fronterizas ni traspasar límites fronterizos con Estados vecinos.

● El operador deberá cerciorarse de que el aparato y su sistema de control a distancia cuentan con disponibilidad suficiente de la energía requerida para la ejecución de la operación con el VANT.

● El operador deberá cerciorarse de realizar la operación dentro de las limitaciones establecidas por el fabricante.

● El operador debe certificar capacitación y entrenamiento en la operación de UAS.

Las anteriores condiciones hacen parte de las Condiciones y recomendaciones de la reglamentación actual para Colombia, se recomienda la lectura de la resolución si el lector desea realizar operaciones con VANT en espacio aéreo Colombiano.(U. A. E. de A. C. de Colombia 2018). La reglamentación actual colombiana no aplica para aeromodelos, esto es considerado un deporte y su tratamiento es diferente al planteado en operaciones de VANT.

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4. CAPÍTULO 2 - INSPECCIÓN DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN Y CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS

4.1. Líneas de transmisión eléctricas

La electricidad que se usa en las ciudades, generalmente proviene de plantas de generación eléctricas ubicadas en espacios geográficos alejados que cumplan con condiciones para que el humano pueda convertir en electricidad, las fuerzas de naturaleza, en nuestro país gran parte de la electricidad es generada por hidroeléctricas en lugares alejados de las ciudades, para que la electricidad pueda llegar a las ciudades en necesario sistema eléctrico de potencia, el cual está integrado por líneas de transmisión, subtransmisión y distribución las cuales son las encargadas de transportar la electricidad con pérdidas mínimas de las plantas de generación a las ciudades. (Castaño 2004) Las líneas de transmisión eléctricas son cables compuestos de metales conductores, que se instalan a diferentes alturas sobre estructuras metálicas y postes, cuentan con estructuras de soporte, aisladores, accesorios de ajustes y su misión principal es garantizar el flujo de electricidad constante evitando interferencias con el ambiente, evitando pérdidas o descargas a tierra.

Figura 19. Líneas de transmisión.

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4.2. Características y clases de líneas de transmisión

El sistema de generación y distribución de energía eléctrica , se divide en varias etapas las cuales son generación, transmisión, distribución y entrega o uso. Este gran sistema está integrado por estaciones, subestaciones, circuitos primarios, circuitos secundarios, transformadores, postes, conductores, crucetas, aisladores, herrajes, estructuras, entre otros. Las líneas de transmisión son parte fundamental del sistema de distribución, encargadas del transporte aéreo de la electricidad desde los generadores hasta la subestación de distribución que generalmente se encuentra ya en los centros poblados, en las líneas aéreas usualmente el conductor está al desnudo.(Castaño 2004) Las líneas de transmisión varían entre los 230 kV hasta los 750 kV, parte del sistemas son las líneas de subtransmisión las cuales generalmente están entre los 69-169 kV, una vez finalizada la etapa de transmisión inicia las distribución primaria y secundaria, las cuales son de entre 4 - 35 kV y 120 - 240 V respectivamente, En la siguiente figura se observa las líneas de transmisión y sus etapas. (Castaño 2004; Short 2018a)

Figura 20. Tipos de líneas de transmisión y distribución eléctricas. Tomada de (Short 2018b)

Las características eléctricas de los conductores en los cuales están fabricadas las líneas de transmisión son de vital importancia, parámetros como la impedancia, admitancia, susceptancia,

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conductancia, se reflejan en las resistencia, inductancia y conductancia, lo cual puede representar pérdidas o fugas y es lo que se busca mitigar en las líneas de transmisión. En Colombia las líneas de transmisión en gran mayoría son de 115 kV, 220 kV, 230 kV y 500 kV, con configuración de 2 circuitos. Principalmente las líneas eléctricas se dividen en dos etapas, como se observa en la figura X, las líneas de transmisión y las líneas de distribución, para el estudio de este proyecto nos enfocaremos en las líneas de transmisión, las cuales transportan la energía eléctrica grandes distancias, generalmente voltajes mayores a 35 kV. Las líneas de transmisión aéreas se componen de un elemento cable de material conductor, generalmente de aleaciones de cobre, acero o aluminio, elementos de soporte de la línea, torres de alta tensión y los aisladores. Los conductores trenzados o cables trenzados son los más usados en las líneas aéreas, los cuales se componen de varias capas enrolladas en diferente sentido evitando el debilitamiento del cable, el trenzado permite gran flexibilidad de la línea especialmente para usos agrandes distancias.

Figura 21. Torre de línea de transmisión y las partes que la integran.

Otro de los componentes como se observa en la figura 21. Son los aisladores, elementos de gran importancia, su función principal es mantener la línea aislada de tierra, el material más usado en estos

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elementos es la porcelana, los aisladores deben ser lo suficientemente robustos para resistir el peso de las líneas y contar con una resistencia eléctrica alta ante posibles fugas de corriente de la línea. Los aisladores se dividen en 2 clases, los aisladores fijos y en cadena, estos últimos son los más usados en líneas de transmisión debido a que cuentan con una configuración variable de acuerdo al voltaje de la línea. Las estructuras de soporte conforman la línea de transmisión, su función principal es sostener la línea de transmisión a una altura determinada sobre la tierra y separada de las demas lineas en la misma torre (generalmente 6 líneas o más), en la parte alta de la torre se encuentra una línea con un conductor desnudo llamado guarda con la función de proteger la línea de posibles descargas por rayos, esta línea no conduce electricidad. las estructuras de soporte se dividen en estructuras de suspensión para las líneas que no requieren esfuerzo en soportar la tensión física de los conductores, y las estructuras de retención las cuales se usan donde la línea debe soportar esfuerzos laterales. Por ejemplo en la curva de la línea de transmisión debido al terreno.

4.3. Distancia de seguridad de las líneas de transmisión

Las líneas de distribución y transmisión cuentan con un alto riesgo para las personas, el cual varía con la distancia, para esto se han establecido planes y estándares para la distancia mínima de seguridad (DMS) de las líneas, medidas en metros, la cual se debe respetar para garantizar la seguridad y salud de los operarios y comunidad cercana a la línea. Para las líneas de transmisión se establece la zona de servidumbre (Robledo, n.d.), la cual es basada en la norma técnica RETIE y su objetivo principal es establecer una zona de seguridad eléctrica para la línea de distribución y transmisión. Por ejemplo en esta zona de servidumbre no se pueden construir viviendas debido al alto riesgo que se presenta en cercanías a la línea. Según la norma técnica colombiana RETIE se establecen los valores límites de campos electromagnéticos de baja frecuencia para la exposición del público en cercanías de las líneas de transmisión, por ningún motivo debe superarse estos valores en la línea de de transmisión dentro de la zona de servidumbre, los valores son

para la intensidad de campo eléctrico y para la densidad de flujo magnético con una exposición máxima de 8 horas continuas. Teniendo en cuenta las DMS y las distancias para operaciones realizadas sobre la línea de transmisión viva que se evidencia en la Tabla 3, se puede relacionar la intensidad de campo eléctrico y la densidad de campo magnético observando una relación directa entre el aumento de la tensión nominal, la distancia de seguridad y los campos electromagnéticos. Al contar con estas distancias es lógico determinar que un VANT puede operar con estas distancias previamente determinadas en el RETIE de 2013 (Última versión), sin embargo se debe realizar un estudio a fondo del impacto de estos dispositivos en los materiales que componen en VANT, así como los motores y sus componentes electrónicos y de comunicaciones.

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Tabla 3. Distancia de seguridad y mediciones de campo magnético en líneas de transmisión.

Tensión nominal entre

fases de la línea eléctrica (kV)

Distancia de seguridad para

trabajos cercanos energizados (m)

Distancia mínima de

seguridad para personal no

especialista (m)

Intensidad Campo eléctrico kV/m

(Debajo 1m sobre el suelo)

Densidad de Campo Magnético mT

(Debajo 1m sobre el suelo)

Distancia a tierra (m)

11.4 0.95 3 SI SI 5,6

13.2 0.95 3 SI SI 5,6

34.5 1.10 3 SI SI 5,6

115 1.80 5 1 2.97 6,1

230 2.8 5 2 5,75 8,5

500 5.5 8 7 8,67 11,5

*SI - Sin información de la medición del campo para esa tensión.

4.4. Inspección de líneas de transmisión

Las líneas de transmisión al ser parte vital del sistema de generación y distribución eléctrica, son estratégicas para el funcionamiento del sistema, con el pasar de los días estas líneas son exigidas, usadas y reparadas, al ser un tema de interés nacional en colombia (de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC) 2002), las regulaciones, revisiones y actualizaciones son constantes. Para soportar esta gigantesca infraestructura se deben realizar operaciones de mantenimiento preventivo y correctivo, para poder incrementar el impacto de las labores realizadas por los responsables de las líneas de transmisión(de Bogotá 2014b), se realizan inspecciones visuales regularmente de acuerdo a los planes de cada línea. La inspección de las líneas de transmisión se realiza en funcionamiento, es decir cada línea está energizada.(de Bogotá 2014b, [a] 2014) Para realizar los procesos de inspección de líneas de transmisión, es necesario tener los planes de mantenimiento y la información de línea a inspeccionar, las cuales son; topografía, características y estado del terreno geográfico alrededor de la línea, sistema de puesta a tierra, anclaje y estructura de las torres, tipos de aisladores, estado de los conductores, conexiones, separadores, partes integrales de la línea, y el estado del cable guarda.(Juan G. Boza Valerino, Víctor M. Wong Galán, Ileana Rodríguez, Marcos Fernández, Ángel Valcárcel 11/2003) En el proceso de inspección se revisa al detalle de manera visual la línea de transmisión y de sus componentes anteriormente mencionados. al finalizar se realiza por parte del equipo de inspección un informe y evaluación del estado de los componentes, el cual es de gran valor para las empresas encargadas del mantenimiento de la línea tomando acciones preventivas y predictivas garantizando el funcionamiento y estado óptimo de la línea al servicio del sistema eléctrico.

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Figura 22. Inspección líneas de transmisión. tomado de electricidad, la revista energética de chile

(Grupo Editorial Editec SPA, n.d.). Al realizar operaciones de inspección en las líneas de transmisión energizadas se presentan diferentes riesgos para las personas y equipos que intervienen, por eso se tienen en cuenta distancias de seguridad establecidos para las líneas, se realiza un proceso de inspección de la corrosión sobre la estructura de la torre, se evalúa el estado de las fundaciones de la línea y se revisa el estado del concreto

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