Multipurpose Aerial Drones for Wildfire and Geophysical Applications: Design, Deployment, and Systematic Review

Abstract

[ES] Esta Tesis Doctoral investiga cómo se pueden diseñar y desplegar plataformas modulares y polivalentes de drones aéreos para abordar retos específicos de misiones en la gestión de incendios forestales y la exploración geofísica. A medida que la tecnología de los drones madura, crece significativamente la demanda de plataformas adaptables que admitan diversas cargas útiles, operen en condiciones ambientales variables y proporcionen información específica del dominio. En respuesta a esta necesidad, la investigación presentada en este compendio contribuye con un conjunto de soluciones originales que integran la modularidad mecánica, la flexibilidad de los sensores y el diseño orientado a la misión. El primer estudio presenta PULSAR, una novedosa arquitectura de drones reconfigurable capaz de operar en configuraciones de cuadricóptero, coaxial y octocóptero. Diseñada para la gestión de incendios forestales, la plataforma admite múltiples cargas útiles e incorpora reconocimiento automático de configuración, lo que permite una rápida adaptación a diversas misiones de campo, como la cartografía forestal detallada y la detección y el seguimiento de elementos relevantes. El segundo estudio aplica un dron polivalente equipado con un magnetómetro para actividades de exploración minera en el histórico yacimiento minero de Lavrion, en Grecia. El diseño del dron garantiza la limpieza magnética, la estabilidad de vuelo y la integración eficiente de los sensores, lo que permite realizar estudios de magnetometría aérea precisos y modelos de susceptibilidad en 3D, al tiempo que ofrece la flexibilidad necesaria para admitir otras aplicaciones geofísicas. El tercer estudio ofrece una revisión exhaustiva de la prospección geofísica basada en drones, sintetizando las tendencias en la integración de sensores, los tipos de plataformas y las aplicaciones de campo a lo largo del ciclo de vida de la minería. Presentada como un compendio de tres publicaciones científicas revisadas por pares, esta Tesis Doctoral refleja un enfoque que une el diseño de ingeniería, el despliegue sobre el terreno y la síntesis analítica. En conjunto, los estudios promueven el desarrollo de drones aéreos polivalentes para la vigilancia medioambiental, la exploración de recursos y la gestión tras catástrofes, ámbitos en los que la adaptabilidad, la calidad de los datos y la integración de sensores son fundamentales. En resumen, esta Tesis Doctoral recopila los valiosos conocimientos y la experiencia técnica adquiridos durante el proceso de investigación, consolidados a través de las publicaciones científicas producidas a lo largo de este trabajo doctoral con mención industrial.

[EN] This doctoral thesis investigates how modular and multipurpose aerial drone platforms can be designed and deployed to address mission-specific challenges in wildfire management and geophysical exploration. As drone technology matures, the demand for adaptable platforms that support diverse payloads, operate under varying environmental conditions, and deliver domain-specific insights grows significantly. Responding to this need, the research presented in this compendium contributes with a set of original solutions that integrate mechanical modularity, sensor flexibility, and mission-oriented design. The first study introduces PULSAR, a novel reconfigurable drone architecture capable of operating in quadcopter, coaxial, and octocopter configurations. Designed for wildfire management, the platform supports multiple payloads and incorporates automatic configuration recognition, enabling rapid adaptation to diverse field missions, such as detailed forest mapping and detection and tracking of relevant elements. The second study applies a multipurpose drone equipped with a magnetometer for mineral exploration activities at the historic Lavrion mining site in Greece. The drone’s design ensures magnetic cleanliness, flight stability, and efficient sensor integration, allowing for accurate aerial magnetometry surveys and 3D susceptibility modeling, while also providing the flexibility to support other geophysical applications. The third study offers a comprehensive review of drone-based geophysical prospection, synthesizing trends in sensor integration, platform types, and field applications across the mining lifecycle. Presented as a compendium of three peer-reviewed scientific publications, this dissertation reflects an approach that bridges engineering design, field deployment, and analytical synthesis. Collectively, the studies advance the development of multipurpose aerial drones for environmental monitoring, resource exploration, and post-disaster management, domains where adaptability, data quality, and sensor integration are critical. In summary, this thesis compiles valuable knowledge and technical expertise acquired during the research process, consolidated through the scientific publications produced throughout this doctoral work with industrial mention.