Una tecnología desarrollada en la UPNA permite a los drones volar de forma precisa con viento fuerte

PAMPLONA 27 Oct. (EUROPA PRESS) -

Xabier Olaz Moratinos (Pamplona, 1992) ha defendido en la Universidad Pública de Navarra (UPNA) su tesis doctoral, que mejora significativamente la capacidad de los drones para despegar, volar y aterrizar de forma estable, precisa y autónoma incluso cuando las condiciones del viento resultan adversas.

Mediante el desarrollo de un sistema de inteligencia artificial de control inteligente inspirado en el aprendizaje humano por ensayo y error (aprendizaje por refuerzo), esta tecnología permite que estos vehículos no tripulados operen con seguridad con vientos que alcanzan hasta 36 km/h y que han sido validados en simulación de alta fidelidad. Dicha velocidad habitualmente les obliga a permanecer en tierra.

Según ha explicado la UPNA en una nota, la investigación aborda el punto débil de los drones, el viento. "Cuando sopla fuerte o cambia de repente, puede ser muy difícil para un dron mantenerse estable o seguir la ruta que se le ha marcado", ha señalado el autor de la tesis. "Esto es especialmente peligroso cuando el dron está despegando o intentando aterrizar, porque está muy cerca del suelo o de otros objetos. Un golpe de viento en ese momento puede hacer que el dron se estrelle, se rompa o incluso cause algún daño", ha añadido. Por ello, el objetivo de su trabajo ha sido lograr que estos sistemas aprendan a adaptarse por sí mismos a situaciones variables, como lo haría un piloto experimentado.

"Los sistemas que controlan los drones y que son como el 'piloto automático' que llevan dentro no siempre están preparados para estas situaciones complicadas", ha afirmado el investigador. "Funcionan bien cuando las condiciones son estables, pero, con viento fuerte, a menudo no pueden reaccionar lo suficientemente rápido o de la manera correcta. Por eso, muchas veces, si sopla demasiado fuerte, los drones no pueden volar y esto limita mucho cuándo y dónde se pueden usar", ha explicado Xabier Olaz, cuya tesis doctoral se ha centrado en encontrar una solución a este problema mediante control adaptativo y aprendizaje por refuerzo.

Su investigación ha dado lugar al desarrollo de un sistema denominado N-FCU (Unidad de Control de Vuelo Neuronal, por sus siglas en inglés), un "cerebro artificial", en palabras del investigador, que utiliza redes neuronales (sistemas informáticos que imitan el funcionamiento del cerebro humano) y técnicas de aprendizaje por refuerzo, un método en el que el dron va ajustando su comportamiento mediante simulaciones en las que recibe recompensas si actúa correctamente y penalizaciones si pierde estabilidad o se desvía. "Lo bueno de este sistema es que el dron reduce la necesidad de modelos explícitos complejos sobre el viento y la dinámica exacta del vehículo. Aprende directamente de lo que le pasa, algo que lo hace mucho más flexible y capaz de adaptarse a situaciones nuevas o inesperadas", señala Xabier Olaz.

Para su entrenamiento, el sistema se enfrentó a entornos virtuales con ráfagas, turbulencias cercanas al suelo y vientos cambiantes. Después de miles de despegues y aterrizajes simulados, la N-FCU fue capaz de generar trayectorias suaves y precisas. El sistema incluye dos módulos clave: uno de adaptación, que ajusta en tiempo real la intensidad de las respuestas del dron según las condiciones; y otro de conversión, que traduce las decisiones del controlador en órdenes concretas para los motores (mezcla y asignación a motores).

Gracias a este diseño y a todo el entrenamiento, el dron de pruebas utilizado en la investigación (un modelo llamado 3DR Iris+) consiguió mantener un vuelo estable y despegar y aterrizar con seguridad, "incluso cuando el entorno de simulación imponía vientos de hasta 10 metros por segundo (36 kilómetros por hora)". "Para un dron de ese tamaño, es una velocidad de viento muy considerable, y demuestra que el sistema mantiene su rendimiento también cuando las cosas se ponen difíciles. Esto significa que podrían volar durante muchos días en los que ahora mismo tienen que quedarse en tierra. Es como dotarles de una capa extra de resistencia contra el mal tiempo. El siguiente paso es ampliar la validación en ensayos de campo controlados", ha destacado Xabier Olaz.

Al mismo tiempo, esta tecnología consigue aterrizajes y despegues "mucho más precisos" con errores inferiores a treinta centímetros incluso en condiciones de viento fuerte (en simulación). Comparado con controladores tradicionales basados en lógica PID (aún habituales en muchos modelos comerciales), el sistema N-FCU mostró una mejora sustancial en la respuesta ante el viento. "Los sistemas clásicos pueden degradar su rendimiento con vientos de entorno a 10 km/h, mientras que este sistema sigue funcionando hasta los 36 km/h en nuestras pruebas de simulación", ha asegurado Olaz, cuya tesis doctoral ha sido calificada con sobresaliente 'cum laude'.

Según ha destacado, "lo más interesante es que el dron aprende estas habilidades por sí mismo, gracias al aprendizaje por refuerzo". "No necesita que un humano le diga qué hacer en cada ráfaga de viento. Esto lo hace muy adaptable a diferentes situaciones", ha apuntado.

El trabajo abre la puerta a múltiples aplicaciones: desde rescates en condiciones climatológicas difíciles, hasta inspecciones técnicas de infraestructuras como parques eólicos, vigilancia aérea, reparto de suministros o monitorización de cultivos agrícolas.

Este "cerebro artificial" desarrollado por Xabier Olaz permitirá que "los drones puedan usarse de forma más segura y en más situaciones, como en rescates donde cada minuto cuenta o para llevar paquetes importantes", ha destacado el autor de la tesis, que ha sido dirigida por el catedrático Jesús Villadangos Alonso, investigador del Instituto de Smart Cities (ISC) de la UPNA. Asimismo, esta línea de trabajo se inscribe en el ámbito de Lenguajes y Sistemas Informáticos (LSI), con potencial para aplicarse en docencia y trabajos académicos.

Xabier Olaz se graduó en Diseño y Desarrollo de Videojuegos en la Universidad Camilo José Cela de Madrid y realizó el Máster Universitario en Inteligencia Artificial en la Universidad Internacional de La Rioja (UNIR), antes de cursar el doctorado en Ciencias y Tecnologías Industriales de la UPNA.

En su trayectoria profesional, destaca su labor docente, pues es profesor del grado en Ingeniería Informática de la UPNA. En esta institución, también ha impartido docencia en el Título Propio de Videojuegos y Realidad Virtual y ha colaborado en proyectos de investigación como HUMMAN, centrado en la autonomía de drones mediante simuladores, y VINET, orientado al desarrollo de agentes conversacionales (sistemas de inteligencia artificial capaces de mantener conversaciones) y avatares hiperrealistas. Ha colaborado, además, en el audiovisual oficial del VI Centenario de Carlos III el Noble (Gobierno de Navarra), integrando técnicas de animación tradicional e IA como ejemplo de transferencia tecnológica.

Además de su experiencia profesional como animador de videojuegos para firmas del sector, Xabier Olaz es el fundador y director de la empresa navarra KaioaLabs, dedicada a la investigación en IA aplicada, la producción tecnológica y la transferencia de resultados. Precisamente, el proyecto que ha realizado para esta firma, Parkoff!, ha recibido recientemente el Premio de RTVE Weird Market al Proyecto de Videojuego Más Innovador.

Asimismo, ha participado en actividades de divulgación científica sobre las aplicaciones de Internet de las Cosas (IoT) para Swissgrid (el operador nacional de la red de transporte de alta tensión de Suiza) y sobre inteligencia artificial en el ciclo "'adiografías', promovido por la Fundación Caja Navarra.