Volar sobre el agua: qué les pasa a los sensores de visión de tu dron

Si tuviera que mencionar un top 5 de las dudas o miedos más frecuentes que han llegado a mí cuando estoy dictando una clase o realizando una práctica de introducción a los drones, obligatoriamente debería incluir el miedo de volar el dron sobre el agua.

Y es muy normal que este miedo latente al agua exista, ya que es una de las pocas superficies en donde una caída casi siempre significa perder el dron, ya sea porque la profundidad del lago o de la playa te complica encontrarlo o porque, aunque logres recuperarlo, el agua probablemente ya dañó la electrónica.

Ahora bien, no todos los drones terminan en el agua por la misma razón. Algunos aterrizan en el agua porque el piloto no calculó bien la batería y no alcanzó para completar el RPO¹. Otros aterrizan porque el sistema de visión falla y el dron empieza a descender sin que se lo pidas.

En este artículo me voy a enfocar en la falla del sistema de visión: vamos a ver qué es lo que origina que eso suceda y cómo funciona, de manera básica, el sistema que está detrás de muchos de los drones que hoy permanecen en el fondo de alguna playa, lago o río, o de aquellos que pudieron ser recuperados (porque no todo siempre termina mal) pero que les causaron un buen susto a sus pilotos. Mi intención es que, al entenderlo, vueles con más tranquilidad y seguridad, pero, por sobre todo, con más precaución.

El sistema de sensado de tu dron

Para ubicarse y moverse con seguridad cerca de las superficies, el dron cuenta con un conjunto de sensores que le permiten percibir lo que tiene alrededor. DJI lo llama Sensing System (sistema de sensado)² y, en la mayoría de los modelos actuales, está formado por dos sistemas que trabajan juntos: el sistema de visión, compuesto por cámaras que capturan imágenes del entorno, y el sistema infrarrojo 3D, que emite luz infrarroja y, a partir de la que vuelve, calcula distancias.

Cuando se habla de “sensores de visión”, como en el título de este artículo, en general se hace referencia a los dos juntos. Es el nombre popular, pero en rigor son dos sistemas distintos. Sin embargo, por razones pedagógicas, en este artículo los voy a nombrar por separado solo cuando la diferencia importe; en el resto de los casos, los denominaré a ambos, en conjunto, sensores de visión.

Qué hacen el sistema de visión y el infrarrojo 3D

Entre el sistema de visión y el infrarrojo 3D, el dron cumple dos funciones distintas:

• Detectar obstáculos: las cámaras frontales, traseras, laterales y superiores miden a qué distancia hay algo.
• Posicionar al dron: el sistema de visión inferior mira el suelo. En los modelos con visión binocular (dos cámaras), como el Mini 4 Pro, compara la imagen de cada una —como hacen nuestros dos ojos— para medir a qué distancia está, y compara una imagen con la siguiente para calcular cuánto se desplazó^[1]. Los modelos con visión monocular (una sola cámara), como el Mini 2 o el Mini 4K, pueden calcular el desplazamiento, pero no medir la distancia con la cámara sola³.

Visión binocular, monocular y fusión de sensores

La función de posicionamiento es la que más importa en este artículo, y ahí los sensores infrarrojos cumplen un rol distinto según el modelo. En el Mini 4 Pro, el sistema infrarrojo 3D —un emisor y un receptor ubicados entre las dos cámaras— ayuda a medir la distancia al suelo y a calcular la posición junto con ellas^[1]. En el Mini 2 o el Mini 4K, en cambio, los dos sensores infrarrojos 3D^[3,7] son los que aportan la distancia al suelo que la cámara sola no puede medir.

Mini 4 Pro: visión binocular (dos cámaras) y un sistema infrarrojo 3D, formado por un emisor y un receptor.

Mini 2: visión monocular (una cámara) y dos sensores infrarrojos.

Ahora, para entender bien el rol de estos sensores en tus vuelos, debés tener en cuenta que un dron estabilizado combina varios sensores para saber dónde está y cómo se mueve: la IMU, el barómetro, el GNSS, la brújula, el sistema de visión y el infrarrojo 3D. Ninguno trabaja solo: la controladora de vuelo los fusiona para obtener una referencia estable. Es lo que en nuestro curso de Introducción a los Drones llamamos fusión de sensores⁴.

A qué altura funcionan los sensores de visión inferiores

Los sensores de visión inferiores no ven infinitamente hacia abajo:

En los drones actuales, los sensores de visión inferiores asisten al posicionamiento y funcionan mejor entre 0,5 y 30 metros de altura; por encima, el rendimiento puede verse afectado^[2]8.

Una precisión que importa, porque se suele contar mal: la función de posicionamiento de los sensores de visión inferiores se aplica cuando la señal GNSS falta o es débil^[2]. Con buena señal satelital, el dron se ubica con el GNSS. Lo que los sensores de visión inferiores hacen en cualquier caso es medir la superficie de abajo, y de eso dependen la protección de aterrizaje y la desaceleración automática cerca del suelo^[2]. DJI no publica cuánto pesa la visión en la fusión de sensores cuando hay satélites.

Por qué el agua degrada la medición

Para medir, el sistema de visión necesita encontrar en el suelo puntos de referencia que se queden quietos: una piedra, una mata de pasto, una línea en el piso. Los busca en una imagen, los vuelve a encontrar en la siguiente y mide el corrimiento; y los busca en las dos cámaras a la vez para calcular la distancia.

El agua le falla de las dos maneras posibles:

• Si está calma, funciona como un espejo. Lo que la cámara ve no es la superficie sino una imagen reflejada: el cielo, las nubes o el propio dron. Esas referencias no están en el agua, están arriba, y como ópticamente quedan muy lejos casi no se corren cuando el dron avanza. La velocidad que estima la visión puede ser nula mientras el dron avanza.
• Si está en movimiento, cambia todo el tiempo. Olas, ondas, el viento de las hélices rizando la superficie. Los puntos duran poco, y el corrimiento que se mide mezcla el movimiento del dron con el del agua.

Entre las situaciones en las que el sistema de visión no puede funcionar correctamente están las superficies muy reflectantes, el agua o las superficies transparentes y las superficies u objetos en movimiento^[2]. El agua cumple dos de esas tres condiciones a la vez.

Qué pasa en el vuelo

Cuando los sensores de visión inferiores entregan mediciones inconsistentes con las del resto de los sensores, la fusión tiene que ponderar fuentes que se contradicen. Y ahí aparecen los síntomas que cualquiera que haya volado bajo sobre el agua reconoce:

• Lecturas de altura que no se corresponden con la real. En nuestros vuelos vimos la altura en pantalla llegar a valores negativos, como si el dron estuviera debajo del punto de despegue¹¹.
• Un dron que empieza a descender sin que se lo pidas. Es lo que vimos y lo que relatan muchos pilotos¹².
• Deriva horizontal: cuando la visión es la que sostiene la posición, un dato falso se corrige con una maniobra real. Si mide velocidad cero mientras el dron avanza (figura 4), o suma el movimiento del agua a su propia estimación de velocidad, el dron se va de lado aunque no toques los sticks.

Lo que agrava todo es que la protección de aterrizaje —la función que analiza la superficie antes de apoyarse y frena si no es apta— depende justamente del sistema de visión inferior^[2]. Sobre el agua, esa red de seguridad es la que no funciona: la aeronave podría no evitar el agua debajo de ella al aterrizar^[2].

Y todo eso pasa en cuestión de segundos. Así se pierden muchísimos drones.

A qué altura volar un dron sobre el agua

El descenso automático se puede cancelar. Con subir el stick de aceleración, ya retomás el control del dron.

El problema es el tiempo. Si el dron baja a velocidad constante, el tiempo hasta tocar el agua es la altura dividida por la velocidad de descenso. A un metro, ese tiempo se mide en fracciones de segundo.

Para la línea Mini, la recomendación es mantener el dron a por lo menos 3 metros sobre el agua^[1,3,4]. DJI no explica de dónde sale la cifra. Nuestra lectura es que funciona como margen de tiempo: la velocidad del aterrizaje automático no está publicada, pero sea cual sea, a 3 metros tenés el triple de tiempo que a uno. Y ese tiempo hay que compararlo con lo que tarda una persona en darse cuenta y actuar: en la referencia más citada, alrededor de 0,75 segundos si lo está esperando y 1,5 si la toma por sorpresa^[6].

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Preguntas que recibimos seguido

En resumen

Volar sobre el agua con tu dron no es el problema. Volar bajo sin entender cómo funcionan los sensores, sí.

Cómo trabaja cada sensor, qué es la fusión de sensores y por qué un dron estabilizado no ejecuta tus comandos de forma directa son temas del curso Introducción a los Drones.