Vehículo aéreo no tripulado para monitoreo remoto y en tiempo real de material particulado con rutinas de mapeo programables

Abstract

La mala calidad del aire es una de las principales problemáticas ambientales y amenaza a la salud pública a nivel mundial. La exposición prolongada a aire de mala calidad puede causar enfermedades respiratorias, enfermedades cardiovasculares, e incluso la muerte prematura (Chen & Hoek, 2020; Wyzga & Rohr, 2015). Para salvaguardar a la población, se monitorea constantemente la calidad del aire utilizando estaciones de monitoreo ambiental fijas para informar sobre los riesgos de permanecer al aire libre durante ciertos periodos del día. Sin embargo, el uso de estaciones fijas limita la resolución espacial y con ello la precisión de la información, además de requerir una alta densidad de puntos de muestreo para realizar un análisis preciso (Jumaah et al., 2021). Se han utilizado vehículos terrestres como taxis y autobuses de ruta para conocer la calidad del aire en distintas ubicaciones utilizando un solo sensor (Apte et al., 2017). También se ha evaluado utilizar vehículos aéreos no tripulados como portadores de sensores de calidad del aire, pero estos presentan ciertas limitaciones que deben de ser tomadas en cuenta al darles a dichos vehículos esta aplicación, siendo la más importante la variación que produce la turbulencia aérea en las mediciones de material particulado (T. Villa et al., 2016). En este trabajo se ha desarrollado un sistema basado en un vehículo aéreo no tripulado integrado con un sensor de calidad del aire con conexión a internet para comunicarse con una estación terrestre de manera remota. El vehículo además integra un mecanismo que permite distanciar el sensor de material particulado del dron para realizar mediciones válidas. Los resultados muestran que el vehículo cuenta con un tiempo promedio de vuelo de 14 minutos y 14.57 segundos (IC95% [14 min 5.45 s, 14 min 23.68 s]) y una distancia de vuelo promedio de 3983.65 metros (IC95% [3941.95, 4025.36]) y se controla correctamente desde una estación terrestre por medio de internet. El vehículo tiene un error promedio de posicionamiento de 1.55 m (IC95% [1.23 m , 1.88 m]) al ser controlado por medio de coordenadas geográficas utilizando el módulo de sistema de posicionamiento global y su posición oscila en un radio de 0.7825 metros al estar suspendido en el aire. El error en las mediciones de material particulado cuando el sensor se encuentra junto al dron (de 0 a 2 metros) es muy elevado (MAAPE = 1.51) y disminuye drásticamente a partir de una distancia de 3 metros entre el sensor y el dron (MAAPE = 0.22), alcanzando el menor error a partir de 7 metros (MAAPE = 0.02). El sistema consume en promedio 1.09 megabytes de datos celulares cada segundo, y al estar suspendido en el aire oscila en un radio de 0.39125 metros en modo de vuelo manual y 0.6175 metros en modo de vuelo guiado. Además, el sistema detecta, almacena, y envía en tiempo real a la estación terrestre datos de concentración de calidad del aire.