El rendimiento aerodinámico de una aeronave puede mejorarse significativamente al incorporar dispositivos en las puntas de las alas, como los winglets, que reducen principalmente la resistencia inducida por la sustentación causada por los vórtices en las puntas de las alas. Este estudio presenta un marco de optimización integral para el diseño de winglets en un mini-UAV de ala fija de Clase I, con el objetivo de maximizar la eficiencia aerodinámica y el rendimiento operativo. Utilizando técnicas de optimización basadas en sustitutos (SBO), esta investigación desarrolló geometrías de winglets con diferentes parámetros geométricos como longitud, ángulo de inclinación y ángulo de barrido, evaluando su rendimiento a través de simulaciones de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) de alta fidelidad. Estas simulaciones utilizaron ecuaciones de Navier-Stokes promediadas por Reynolds (RANS) acopladas con el modelo de turbulencia de Spalart-Allmaras para capturar la intrincada dinámica del flujo alrededor del UAV en diferentes fases de vuelo. La integración de técnicas SBO permitió una exploración eficiente del espacio de diseño mientras se reducían los costos computacionales asociados con simulaciones iterativas de alta fidelidad. En particular, el marco SBO propuesto optimizó las características aerodinámicas del UAV, incluyendo la relación de sustentación a resistencia y la reducción de resistencia, seguido de un análisis de estabilidad y control para asegurar un rendimiento equilibrado para las configuraciones óptimas. Las evaluaciones de estabilidad dinámica revelaron características de vuelo mejoradas, manteniendo el control a través de los márgenes operativos. Los resultados demostraron una mejora significativa en los coeficientes aerodinámicos, el alcance, la resistencia y la reducción en el consumo de batería a lo largo de todo el margen operativo del UAV, subrayando el potencial de los diseños innovadores de winglets para mejorar el rendimiento del UAV en diversos perfiles de misión.