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DISEO Y CONSTRUCCIN DEMINISUBMARINO AUTNOMO DE
INSPECCIN DE TUBERAS SUMERGIDAS
Proyecto Final de CarreraAutor: Gabriel Riera Navarro
Directores: Bienvenido Alonso Pardo
Leandro Ruiz Pealver
Carrera: Ingeniera Naval y Ocenica
Universidad Politcnica de Cartagena
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1. ndice:
Introduccin:.................................................................... 4
1 Estructura del PFC:...............................................................................................................................41 AUV .......................................................... ............................................................ ...............................52 Presentacin del proyecto.....................................................................................................................6
2.1 Motivacin ......................................................... ........................................................... ............63 Antecedentes ....................................................... ........................................................... ......................8
Electrnica...................................................................... 101 Introduccin........................................................................................................................................10 2 Funcionamiento..................................................................................................................................10
2.1 Explicacin del funcionamiento mecnico como conjunto ..................................................... 113 Medidas de seguridad.........................................................................................................................134 Listado de instrumentos......................................................................................................................145 Arquitectura electrnica .......................................................... ........................................................... 15
5.1 Mdulo de Navegacin .......................................................... ................................................. 186 Mdulo de percepcin........................................................................................................................187 Generacin de una trayectoria ........................................................... ................................................. 20
7.1 Dinamic Mission Planner (DMP)............................................................................................21
7.2 ATModule .......................................................... ........................................................... ..........227.2.1 ATOperate state machine...............................................................................................237.2.2 EN4AUV (Expert Navigator for Autonomous Underwater Vehicles)...........................24
7.3 Obstacle Avoidance Software (OAS)......................................................................................258 Sistema de Gua y Control..................................................................................................................26
8.1 Sistema de Gua (Nav Block)..................................................................................................278.2 Sistema de Control ....................................................... ........................................................... 28
9 Niveles de control (jerarqua).............................................................................................................299.1 Niveles de programacin.........................................................................................................29
9.1.1 Low-level.......................................................................................................................30 9.1.2 High-level ........................................................... ........................................................... 30
9.2 Distribucin del software ....................................................... ................................................. 319.2.1 Low Level......................................................................................................................31
9.2.2 High level.......................................................................................................................3410 Alimentacin ................................................... ........................................................... ....................3511 Telecomunicaciones .................................................. ........................................................... ..........36
Diseo del vehculo ........................................................ 38
12 Bases del proyecto:.........................................................................................................................3812.1 Requisitos conceptuales: ........................................................ ................................................. 3812.2 Requisitos tcnicos:.................................................................................................................40
13 Visin de futuro:.............................................................................................................................4313.1 Metodologa de diseo ........................................................... ................................................. 44
14 Estudio de las optativas: ...................................................... ........................................................... 47
14.1 Seleccin: ........................................................... ........................................................... ..........5015 Dimensiones iniciales del casco resistente ........................................................ .............................51
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16 Seleccin de materiales: ...................................................... ........................................................... 5516.1 PVC-U.....................................................................................................................................56
16.1.1 Caractersticas a largo plazo y estudio de fatiga.................................................. ..........5616.1.1.1 Temperatura de trabajo ...................................................... ....................................... 5716.1.1.2 Tiempo de aplicacin de la carga..............................................................................5916.1.1.3 Mdulo aparente ...................................................... ................................................. 6116.1.1.4 Fallo por fatiga..........................................................................................................61
16.2 Aluminio: ........................................................... ........................................................... ..........6317 Seleccin sistema del sistema de clculo........................................................................................65
17.1 ANSYS....................................................................................................................................65 17.1.1 Modelizacin mediante ANSYS....................................................................................67
18 Escantillonado del casco resistente.................................................................................................6918.1 Escantillonado del cilindro estanco ............................................................ .............................69
18.1.1 Modelizacin del cilindro estanco mediante ANSYS....................................................7118.1.1.1 Datos de entrada........................................................................................................7118.1.1.2 Detalles de diseo .................................................... ................................................. 7218.1.1.3 Cargas y restricciones ........................................................ ....................................... 7418.1.1.4 Resultados.................................................................................................................76 18.2 Diseo del sistema de estanqueidad ........................................................... .............................78
18.2.1 Estudio de variantes.......................................................................................................7818.2.2 Seleccin........................................................................................................................80 18.2.3 Diseo............................................................................................................................80
18.2.3.1 Material de la junta trica ............................................................ .............................8118.2.3.2 Seccin y dureza de la junta trica............................................................................8118.2.3.3 Dimensiones de las juntas tricas y sus alojamientos: .............................................. 8418.2.3.4 Clculo de la fuerza de compresin y seleccin del nmero de pernos ....................8718.2.3.5 Estimacin de la tensin mxima de compresin en la junta trica..........................90
18.3 Escantillonado de las tapas......................................................................................................9118.3.1 ASME: programacin hojas EXCEL.............................................................................9118.3.2 Modelizacin de las tapas mediante ANSYS.................................................................94
18.3.2.1 Datos de entrada........................................................................................................9418.3.2.2 Detalles de diseo .................................................... ................................................. 9518.3.2.3 Cargas y restricciones ........................................................ ....................................... 9618.3.2.4 Resultados.................................................................................................................97
19 Distribucin general .................................................. ........................................................... ........10120 Formas del casco hidrodinmico ................................................... ............................................... 10521 Resistencia al choque .......................................................... ......................................................... 110
21.1 Sistema de absorcin de impacto ..................................................... ..................................... 11021.2 Unin de las carcasas ................................................... ......................................................... 114
22 Clculos de resistencia longitudinal ........................................................ ..................................... 11622.1 Programacin en EXCEL.....................................................................................................117
23 Sistema de flotacin .................................................. ........................................................... ........11923.1 Diseo de los flotadores ......................................................... ............................................... 12023.2 Materiales de fabricacin ....................................................... ............................................... 122
24 Diseo de la carcasa hidrodinmica ........................................................ ..................................... 12424.1 Escantillonado de la carcasa..................................................................................................12524.2 Carcasa frontal.......................................................................................................................125
24.2.1 Alojamiento del obstacle avoidance .......................................................... ..................12624.2.2 Alojamiento del motor de control de arfada ........................................................ ........12724.2.3 Unin entre carcasa frontal y carcasa central...............................................................12824.2.4 Compresin del sistema de absorcin de impactos......................................................128
24.3 Carcasa central ................................................... ........................................................... ........13524.3.1 Sujecin del sistema de muelles de absorcin de impactos ......................................... 13524.3.2 Sujecin motores principales ............................................................ ...........................135
24.4 Carcasa de cola......................................................................................................................13824.4.1 Sujecin del cilindro estanco ............................................................ ...........................14124.4.2 Alojamiento del MODEM acstico ........................................................... ..................14124.4.3 Alojamiento del DVL ................................................... ............................................... 142
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24.4.4 Sujecin del sonar Super Seaking................................................................................14224.4.5 Sujecin del sonar Starfish...........................................................................................14224.4.6 Unin a la carcasa central ....................................................... ..................................... 142
25 Diseo del sistema de boya de emergencia ....................................................... ...........................14326 Diseo de la estructura interna ...................................................... ............................................... 14626.1 Mdulo de bateras................................................................................................................147
26.2 Mdulo de electrnica...........................................................................................................14826.3 Escantillonado de las estructuras...........................................................................................150
27 Estimacin de la resistencia al avance..........................................................................................15027.1 Simulacin de modelo simplificado mediante CFD..............................................................15127.2 Incremento de la resistencia de los elementos restantes........................................................152
27.2.1 Resistencia del obstacle avoidance y MODEM acstico.............................................15327.2.2 Resistencia del orificio del motor delantero.................................................................15427.2.3 Resistencia del alargamiento del cuerpo cilndrico......................................................155
27.3 Resistencia total.....................................................................................................................15528 Estudio de Estabilidad:.................................................................................................................156
28.1 Estabilidad esttica transversal..............................................................................................15628.2 Estabilidad esttica longitudinal............................................................................................15728.3 Estabilidad dinmica .................................................... ......................................................... 157
29 Estudio de la evacuacin del calor del cilindro estanco ....................................................... ........15829.1 Calor generado ................................................... ........................................................... ........15929.2 Ventilacin interna ....................................................... ......................................................... 16129.3 Disipadores de las tapas ......................................................... ............................................... 16229.4 Clculo del calor disipado ...................................................... ............................................... 164
29.4.1 Clculo de los coeficientes de conveccin...................................................................16629.4.2 Mtodo de clculo........................................................................................................168
29.5 Resultados obtenidos.............................................................................................................16930 Clculo de la autonoma ...................................................... ......................................................... 170
30.1 Autonoma con bateras de plomo cido: ................................................... ...........................17030.2 Autonoma con bateras LiFePo4 ..................................................... ..................................... 171
BIBLIOGRAFA......................................................................................................................................172 ANEXO I: presupuesto.............................................................................................................................173
Estructura..............................................................................................................................................173 Instrumentacin....................................................................................................................................174 Total ...............................................................................................................................................174
ANEXO II: Condicin de carga 1 ................................................... ......................................................... 175Curvas ...............................................................................................................................................177
ANEXO II: Condicin de carga 2 ................................................... ......................................................... 178Curvas ...............................................................................................................................................180
ANEXO III: Botadura y recuperacin......................................................................................................181
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Introduccin:
1 Estructura del PFC:
El cuerpo del presente Proyecto Final de Carrera se divide en 4 bloques principales:
Introduccin.
Electrnica.
Diseo del vehculo.
Se ha seguido esta estructura en lugar de la estructura por cuadernos, clsica de los PFC
de Ingeniera Naval y Ocenica, debido a que se considera que de este modo se agrupala informacin de una forma ms acorde con el contenido.
La temtica de cada bloque est muy diferenciada del resto. A continuacin se exponen
los contenidos de cada bloque.
Introduccin:
En este bloque, por una parte, se da una idea general de lo que es un AUV [Autonomous
Underwater Vehicle]. Esto se hace sin profundizar en el caso concreto del presente
proyecto final de carrera.
Por otra parte se presenta la motivacin del proyecto, as como su procedencia, ya que
surge como una colaboracin a un proyecto desarrollado en la Universitat de les Illes
Balears (UIB).
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Electrnica:
En este segundo bloque, por una parte se expone el funcionamiento del submarino. Por
otra parte, se describe el software as como la electrnica que hace posible dicho
funcionamiento.
Se describir cada uno de los instrumentos que le vehculo necesita para llevar a cabo su
operacin, as como los mdulos que componen al arquitectura electrnica del vehculo.
Diseo del vehculo:
En el tercer y ltimo bloque, se agrupa el cuerpo principal del proyecto.
Para empezar, se exponen los datos y conceptos de partida sobre los que se construye el
resto del proyecto, as como la futura progresin del mismo.
A continuacin, se da una explicacin de la que ha sido la metodologa que se ha
seguido durante el proceso de diseo del prototipo objetivo de este PFC.
Finalmente se trata de plasmar el proceso del diseo completo del submarino. Si bien el
proceso real de diseo ha seguido una espiral en la que poco a poco se iba convergiendo
en un resultado final, a la hora de presentar dicho proceso en un manuscrito se trata de
seguir una secuencia lgica de diseo.
Se van abordando cada uno de los pasos necesarios para el diseo general del vehculo,
as como el diseo de cada uno de los componentes que conforman la estructura del
vehculo
1 AUV
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Definicin
Las siglas AUV corresponden a Autonomous Underwater Vehicle. Es decir un
vehiculo no tripulado que es capaz de desarrollar tareas bajo el agua sin necesidad de
intervencin humana.
No se debe confundir un AUV con un ROV Remotely Operated Vehicle. En este caso
se trata tambin de un vehiculo capaz de realizar misiones bajo el agua, pero que en
todo momento es pilotado a distancia por uno o varios individuos. Este tipo de
vehculos suelen ir conectados mediante cable umbilical, a travs del cual se les
suministra la corriente necesaria para su funcionamiento, as como las seales con que
se controlan. Incluso se les puede llegar a suministrar presin neumtica si fuera
necesaria. Por ello no suele ser necesario que el ROV cargue con la fuente de
alimentacin para su movimiento, ni la computadora para su control.
El presente caso es sensiblemente distinto, porque como se ha mencionado, el AUV
deber de ser completamente autnomo. Lo que quiere decir que deber cargar con todo
elemento que sea necesario para su funcionamiento.
2 Presentacin del proyecto
2.1 Motivacin
En los ltimos aos se ha vivido un impulso en el desarrollo de pequeos vehculos
submarinos autnomos, tambin conocidos como AUVs.
Este tipo de vehculos tiene un gran nmero de aplicaciones en campos que abarcan
desde la oceanografa a aplicaciones militares. Sus tareas, como se expone ms
adelante, se basan en la inspeccin y reconocimiento, sin embargo la lista de tareas es
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cada vez ms amplia, por lo que nuevos diseos surgen, optimizados para las nuevas
misiones que se les confan.
La misin del vehculo del presente proyecto es la inspeccin de tuberas sumergidas
para mantenimiento preventivo. Misin que de otro modo debera ser desarrollado por
buzos o por ROVs, debido a las profundidades a las que se pueden llegar a encontrar
dichas tuberas (superiores a los 1000 metros) y al alto coste que supone alcanzar dichas
cotas con vehculos tripulados.
Se pretende desarrollar un vehiculo capaz que descender hasta las proximidades dellecho marino, detectar la tubera, trazar su trayectoria y seguirla a la vez que extrae una
imagen acstica del fondo y la tubera. Finalmente, regresar a la superficie y transferir
toda la informacin recopilada. Todo ello sin que se produzca ninguna intervencin
humana. Es decir, ser el propio AUV el que reconocer y seguir la tubera gracias a
un sistema de inteligencia artificial utilizando los datos adquiridos en tiempo real.
Actualmente no existen muchos vehculos (comerciales o no) capaces de realizar dicha
tarea, y mucho menos, versiones de bajo coste. Este es uno de los puntos clave del
proyecto, el diseo de un vehculo capaz de alcanzar los requisitos tcnicos y
funcionales requeridos, a bajo coste.
Para poder poner a prueba la tecnologa de inteligencia artificial desarrollada en la
Universitat de les Illes Balears (UIB) sobre un vehiculo real, se plantean las siguientes
posibilidades:
Adquirir un vehiculo comercial no autnomo (ROV). Dicho vehiculo ser no
autopilotado (lo que reduce los costes de adquisicin, pero obliga a realizar
modificaciones en el mismo. Por una parte el vehiculo debe cargar consigo su
fuente de alimentacin (bateras en este caso). Por otra parte, debe ser capaz de
trasnportar adems una serie de instrumentos. El precio de adquisicin de un
vehiculo que cumple con los requisitos es de 4000 a lo que hay que sumar el
coste del pack de bateras, en caso de que existiera la opcin de compra, ms lasmodificaciones necesarias para que pueda cargar con la instrumentacin. Dichas
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modificaciones pueden incluir aumento de potencia propulsora, adicin de
flotabilidad, etc. Lo que obliga a recalibrar el aparato por completo. El
presupuesto final del vehiculo ms las modificaciones necesarias es de 18000.
Adquirir un vehiculo comercial con capacidad de transportar las bateras as
como la instrumentacin requerida. Una vez adquirido el vehiculo comercial, se
podra sustituir su electrnica por la propia, y ms modificaciones necesaria son
de poca envergadura, ya que el vehiculo ya est enfocado a este tipo de servicio.
Sin embargo el precio mnimo de adquisicin de uno de estos vehculos es de
entorno a los 20000.
Desarrollar un vehiculo que cumpla con los requisitos del proyecto. Debido a
que el proyecto se encuentra en fase de desarrollo, las cotas de profundidad
exigidas no son elevadas, lo cual puede favorecer que la construccin propia de
un vehiculo sea viable y de mucho menor coste que el resto de opciones.
3 Antecedentes
El 10/2007 se inici en la UIB un proyecto con la concesin de una beca econmica.
Dicho proyecto, titulado IOGECS (Inspeccin autnoma de Oleoductos, Gasoductos,
Emisarios y Cables submarinos) abarc hasta el 09/2009. El proyecto fue desarrollado
por un grupo formado por 6 integrantes: el tutor (Ingeniero Oscar Calvo Ibez), 3investigadores (Dr. Gerardo Gabriel Acosta, Dr. Alejando Rozenfeld e Ing. Hugo Javier
Curti) y dos becarios doctorales (Andr Luis Sousa Sena e Ing. Alberto Rodrguez).
En dicho proyecto se inici el desarrollo de un vehiculo submarino autnomo capaz de
llevar a cabo misiones de inspeccin de tuberas sumergidas.
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Como resultado de esta primera fase del proyecto, se fabric un submarino autnomo de
bajo coste con el objetivo de poner a prueba el software desarrollado durante el
proyecto.
Figura 1: Primera versin del vehculo submarino desarrollada en la UIB.
Posteriormente se concedi una segunda beca para continuar con la investigacin en
vehculos submarinos autnomos, explorando la posibilidad de que realizaran misiones
en conjunto, dotndolos de intercomunicacin. Para ese fin se decidi iniciar el
desarrollo de un nuevo vehiculo prototipo, tratando de mejorar algunos aspectos del
diseo. Este segundo vehiculo prototipo utilizara la misma base electrnica ya testadaen el primero, pero ya preparado para incorporar un instrumental ms amplio.
El diseo de dicho vehculo es el tratado del presente Proyecto Final de Carrera.
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Electrnica
1 Introduccin
En este apartado se describe la electrnica desarrollada por el grupo de Tecnologa
Electrnica de la Universitat de les Illes Balears (UIB) en colaboracin con el grupoINTELYMEC de la Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires
(UNICEN) que hacen de base para el desarrollo de este proyecto.
El objetivo de dicha electrnica es la controlar un vehculo submarino de manera que
pueda realizar misiones de inspeccin de tuberas sumergidas de manera autnoma.
En este bloque se tratan tanto el aspecto fsico (Hardware) como la programacin(Software) de la electrnica del prototipo. Por otra parte, se incluyen apartados
dedicados a las telecomunicaciones y a la alimentacin elctrica de los sistemas.
2 Funcionamiento
El objetivo del prototipo es la obtencin de imgenes del fondo, realizando el
seguimiento de una tubera sumergida de forma automtica, para posteriormente realizar
la inspeccin sobre las imgenes obtenidas de la tubera como parte de su
mantenimiento preventivo.
Si bien se trata de un vehculo totalmente autnomo, el vehculo cuenta adems con
control manual a distancia mediante ordenador a travs de radio FM o wifi. Dichosistema solo puede funcionar si el vehculo se encuentra en superficie. Por otra parte,
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mientras el vehculo se mantiene en superficie, se puede determinar su posicin y
velocidad mediante GPS.
Una vez que el vehculo se encuentra sumergido ya no se puede utilizar el GPS para
determinar su posicin, y en este caso se emplea un dispositivo de posicionamiento
espacial combinado basado en las lecturas tomadas por acelermetros, magnetmetros y
giroscopios de ndice de giro o rate gyro. Este tipo de giroscopio, en lugar de indicar
direccin, indica la velocidad de cambio de direccin.
El vehculo debe ser capaz de llegar hasta un rea determinada por el usuario en la quese sabe que se encuentra un punto del recorrido de la tubera. Una vez all traza una ruta
de bsqueda, hasta que detecta la tubera.
Una vez la tubera ha sido detectada, se procede al trazado de la trayectoria de la
tubera, y al seguimiento de la misma por el vehculo para la toma de imgenes
acsticas mediante Side-Scan Sonar (SSS).
Cuando el tramo de tubera deseado ha sido recorrido, o el nivel de batera ha alcanzado
un punto bajo, el vehculo regresa a la superficie para ser recogido y descargar toda la
informacin adquirida.
Desde que el vehculo flota libremente en el agua, hasta que es recogido, su
funcionamiento es autnomo, es decir, sin necesidad de intervencin humana.
2.1 Explicacin del funcionamiento mecnico como conjunto
El vehculo obtiene propulsin mediante dos conjuntos de motor elctrico y hlice,
situados a ambos lados del cuerpo central, simtricos desde cruja. Longitudinalmente
situados en la mitad del vehculo. Gracias a su disposicin simtrica desde cruja, no se
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precisa de timn, ya que se controla la direccin mediante el control independiente del
empuje generado por cada propulsor.
Para el control de la arfada se dispone de un tercer motor elctrico con hlice acoplada.
Se encuentra en el extremo de proa del vehculo orientado hacia el fondo. Excepto
durante el ascenso y descenso a las proximidades del fondo, el vehiculo debe
mantenerse estable a una distancia fija del fondo.
De las lecturas del comps se obtiene el rumbo del vehculo en cada instante, referente
al polo magntico. El problema de utilizar el campo magntico terrestre comoreferencia, es que la medida se puede ver interferida por otros campos magnticos
presentes. Dichas interferencias se tratan de minimizar mediante algoritmos combinados
con la toma de datos del resto de elementos (acelermetros y rate gyro).
A pesar de la combinacin de las tres medidas, el dispositivo de posicionamiento
espacial va acumulado error a medida que pasa el tiempo. Para minimizar dicho error,
los datos se complementan mediante las lecturas obtenidas mediante un segundo
dispositivo, el Doppler Velocity Log (DVL). Se trata de un sonar de cuatro haces
proyectados a ngulos correlativos hacia el lecho marino, de manera que se pueda medir
la velocidad relativa del vehculo al fondo con una gran precisin. Dicha precisin es
necesaria para montar correctamente las imgenes acsticas tomadas del fondo, adems
de para corregir la posicin espacial del vehculo estimada mediante el INS.
El equilibrio transversal del vehculo se consigue mediante la distribucin del peso,
consiguiendo que el centro de flotacin se encuentre por encima del centro de gravedad.
Para este fin, se trata de concentrar el peso en la base del vehculo (las bateras lo ms
cerca del fondo posible y la ubicacin de los flotadores en la parte ms alta). Adems,
los motores propulsores trabajan en contrarrotacin, por lo que su par de giro tiende a
contrarrestarse.
En el avance durante del seguimiento de la tubera sumergida, el vehculo puede
encontrar distintos obstculos (redes, escombros, formaciones rocosas, etc.). Para evitar
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posibles colisiones, se instala un sonar delantero enfocando en al direccin de avance,
de manera que detecte cualquier posible obstculo. Dicho sonar se denomina Obstacle
Avoidance Sonar.
3 Medidas de seguridad
Para evitar el riesgo de fallo y actuar en caso de que este ocurra, se introducen una serie
de medidas de seguridad:
Limitacin de sobre intensidad:
Puesto que si se quema la placa controladora de los motores, el vehculo pierde la
capacidad de desplazarse, se incluye un limitador de sobre intensidad para evitar que al
intensidad sobrepase un nivel determinado.
Sensor de humedad:
Todos los elementos no estancos del vehculo, se encapsulan en un cilindro estanco
situado en el centro del vehculo. En el interior del cilindro se ubican dos sensores de
humedad (uno en cada extremo) para poder detectar la entrada de agua. El agua, incluso
en pequeas cantidades, puede propiciar el fallo de toda la electrnica, por lo que en
caso de entrada, se debe abortar la misin y regresar a la superficie.
Sistema de boya de emergencia:
Como ltimo recurso en la recuperacin del vehculo se instala un sistema de boya de
emergencia. En caso de ocurrir un fallo fatal para el sistema (el sistema falla y pierde el
control del submarino, se quema la placa controladora de los motores, etc.), entrada de
agua, o que el vehculo queda atrapado y no logra liberarse, se debe recurrir al sistemade boya de emergencia.
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El sistema funciona en base a un recipiente con gas a presin, el cual se controla con
una electrovlvula. Llegado el caso, permitir el paso de gas a una boya inicialmentedeshinchada. La boya hinchada tira del vehculo hacia la superficie, con fuerza
suficiente incluso si el cilindro central esta lleno de agua, pudindose recuperar de esta
manera el vehculo.
Sistema de absorcin de choques frontales:
Si bien el vehculo cuenta con un sonar frontal de deteccin de obstculos (obtacle
avoidance sonar), el vehculo esta preparado para sobrevivir a un choque frontal a
velocidad de operacin.
En caso de que se diera un choque frontal, la energa cintica del vehculo en
movimiento es absorbida por un sistema de muelles de compresin, reduciendo la
aceleracin resultante del choque hasta niveles aceptables.
Medios de localizacin. (Iluminacin y emisin de seales):
Durante su operacin normal, tras finalizar la captura de imgenes de la tubera
sumergida, el vehiculo regresara por medios propios a la superficie. Una vez en la
superficie, emitir seales de radio indicando su posicin, adems de poder detectar y
comunicarse con el vehculo mediante Wreles.
Por otra parte, se aade una seal lumnica de bajo consumo para facilitar la
localizacin del vehculo en superficie, tanto en operacin normal como en ascensin de
emergencia mediante sistema de boya de emergencia.
4 Listado de instrumentos
A continuacin se indica el listado de los principales instrumentos del vehculo ascomo la marca y modelos seleccionados:
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Elemento Marca ModeloObstacle avoidance sonar Tritech Micron DST Sonar
Side-scan sonar Starfish 450FMultybeam sonar Tritech SeaKingMotores propulsores hliceacoplada
Tecnadyne Modelo 300
Motor de control de arfada CrustKrawler High-Flow Thruster 400HFS-LDoppler velocity log LinkQuest
Inc.NavQuest 600 Micro
Modem acstico Tritech Micron Data Modem
Dispositivo deposicionamiento espacial Xsens Mti-28A53G35
5 Arquitectura electrnica
En el desarrollo del software capaz de hacer funcionar el vehculo, se utiliza una
programacin modular. La programacin modular conlleva separar el programa
completo en funciones independientes. Cada una de estas funciones se programan en
mdulos independientes, cada uno de ellos capaz de llevar a cabo la funcin que le es
encomendada por si mismo. Al unirse conforman el conjunto del programa final.
De esta manera se facilita la tarea programacin al abordar una tarea cada vez y los
mdulos pueden ser sustituidos o modificados con mayor facilidad.
El diseo general se basa en una arquitectura genrica propuesta en algunos trabajos de
investigacin con algunas simplificaciones.
El vehculo se compone de cuatro mdulos principales, que se encargan de las tareas a
realizar:
- Mdulo de navegacin: determinacin de la posicin y velocidad delvehculo
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o En superfcie: basndose en el GPS, los sensores inerciales (INS) y
el comps.
o En inmersin: basado en el punto inicial de inmersin, acontinuacin la posicin se basa en acelermetros (INS), comps,
profundmetro y Doppler Velocity Log (DVL).
- Mdulo de Percepcin: reconocimiento, posicionamiento y trazado de la
trayectoria de la tubera a partir de las batimetras obtenidas mediante un
Multi-beam sonar (MBE) y un sidescan sonnar (SSS). Un sistema que
emplea diferentes aproximaciones es capaz de, a partir de los datosadquiridos por los sonares, detectar y reconocer la tubera.
- Dynamic Mission Planner (DMP): generacin de los puntos de paso
(waypoints) que se emplearn para generar una trayectoria a seguir por el
vehculo a partir de la trayectoria conocida de la tubera y de la situacin en
la que se encuentre el robot. Tanto el Obstacle Avoidance Software (OAS)
como el Path Planner pertenecen a este mdulo.
- Sistema de Gua y Control:construccin de una trayectoria a ser seguida por
el vehculo y generar las rdenes a cumplir por los propulsores para seguirla
tan fielmente como sea posible.
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Figura 2: estructura general del sistema utilizado para el diseo del vehculo. [1]
Por otra parte encontramos otros mdulos de soporte:
Obstacle Avoidance Software (OAS): Mendiante un sonar delantero detecta
posibles obstculos en la trayectoria del vehculo que obliguen a desviar la trayectoria
prefijada.
Static Mission Plan: es la informacin suministrada por el usuario sobre el
punto de inicio, profundidad, velocidad, punto de finalizacin y otros datos inherentes a
la misin. No es propiamente un mdulo, sino ms bien una recopilacin de
informacin perteneciente a la misin concreta que se va a llevar a cabo.
Path Planner: Combina las trayectorias deseada, obligatoria y posible. En
efecto, modifica la trayectoria generada en el DMP (trayectoria deseada), segn la
informacin aportada por el OAS (trayectoria posible), junto con la informacin del
Static Mission Planner (trayectoria obligatoria o requerida por el usuario humano).
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5.1 Mdulo de Navegacin
Determina la posicin y velocidad del vehculo basndose en la informacin del GPS,
de los sensores inerciales y el comps.
En superficie, nicamente mediante el GPS ya es posible determinar la posicin y la
velocidad del vehculo, pero se introduce un cierto error inherente al sistema GPS. Para
corregir este error, se une la informacin obtenida mediante GPS con la informacin
obtenida mediante los sensores inerciales (INS) y el comps.
Una vez que se navega en inmersin, el GPS deja de recibir seal, por lo que el
posicionamiento se debe realizar mediante otros mtodos. Partiendo de la posicin en la
que se inicia la inmersin, se irn aadiendo los desplazamientos determinados
mediante los sensores inerciales. Para un mejor conocimiento de la velocidad del
vehculo, se dispone de un Doppler Velocity Logs (DVL):
6 Mdulo de percepcin
El cometido delMdulo de percepcines el reconocimiento de estructuras sumergidas,
as como su posicionamiento espacial relativo al propio vehculo.
Para la deteccin de la tubera, se puede recurrir a diversos tipos de sensores:
- Snares
o Side Scan: Imgenes acsticas
o Multi beam: Batimetras
- Detectores magnticos
- Cmaras de video
- Escneres lser.
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Cada uno de estos sistemas tiene una serie de ventajas e inconvenientes:
- Snares:o Side-Scan:
No se ve afectado por la turbiedad del medio.
Relativamente fcil detectar formas o patrones.
No se detecta la tubera si se encuentra enterrada.
o Bultibeam:
No se ve afectado por la turbulencia del medio.
Relativamente fcil detectar formas. No se detecta la tubera si se encuentra enterrada.
Mayor resolucin que barrido mecanico
Mucho mas acro que barrido mecnico
Facilita el posicionamiento de la tubera al conocerse las
distancias relativas al vehculo.
- Detectores magnticos:
No se ve afectado por la turbiedad del medio.
Se detecta la tubera si se encuentra enterrada.
Necesitan de mantenerse prximos a la tubera.
Cruces de tuberas u otros restos metlicos pueden confundir
la medicin.
- Cmaras de vdeo:
Se ve afectado por la turbiedad del medio.
Relativamente fcil detectar formas o patrones.
No se detecta la tubera si se encuentra enterrada.
Bajo coste.
Necesidad de iluminacin.
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Se podra generar la imagen del fondo mediante un sonar Side-scan o mediante uno de
tipo Multi-Beam. Para el desarrollo de este proyecto se instala un sonar Multi Beam
para el seguimiento de la tubera.
Por otra parte, un sonar Side-scan se instala para generar la imagen sobre la que se
realizar la inspeccin de la estructura sumergida por especialistas.
Para ambos sonares, la velocidad y rumbo del vehculo es de gran importancia para
montar correctamente el conjunto de datos que conforman la imagen completa. De una
errnea medicin de la velocidad podra resultar una imagen sin sentido. Por ello laimportancia de la introduccin del Doppler Velocity Log DVL y el comps.
Se trata de un ejercicio nada trivial, y de su consecucin depende el xito de la misin.
Se debe desarrollar un software capaz de reconocer formas basado en redes neuronales
artificiales (ANNPR) para clasificar objetos a partir de datos provenientes de sonares.
Puesto que esta fase no ha llegado a desarrollarse no puede profundizarse ms.
7 Generacin de una trayectoria
Debido a la interrelacin que existe entre ellos, en este apartado se explicar en
conjunto el DMP, OAS y el Path Planner. En conjunto, generan la trayectoria final aseguir por el vehculo.
Para la generacin de una trayectoria, los datos necesarios son:
- La posicin y trayectoria de la tubera, resultantes del Mdulo de
percepcin.
- La posicin del vehculo determinados por elMdulo de Navegacin.- El Static Mission Plan, indicado por el usuario.
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7.1 Dinamic Mission Planner (DMP)
La finalidad de este mdulo es generar una trayectoria para el vehculo. Se genera la
trayectoria deseada del vehculo, basada en cuatro puntos de control a travs de los
cuales el vehculo deber pasar (waypoints).
EL DMP se compone de dos mdulos:
- ATModule: genera la trayectoria deseada a seguir por el vehculo, partiendo
de la trayectoria de la tubera.
- Obstacle Avoidance Software: detecta posibles obstculos que supongan
conflicto con la trayectoria deseada.
o Path planner: Modifica la trayectoria deseada en caso de detectarse
conflictos, generndose la trayectoria final.
Con el objetivo de generar la trayectoria del vehculo, se empieza por la generacin de
la trayectoria ideal, basndose nicamente en la posicin del vehculo y el de la tubera,
es decir, sin tener en cuenta posibles obstculos en la trazada.
Posteriormente, el Obstacle Avoidance Software (OAS) detecta posibles obstculos
mediante los datos del sonar Obstacle Avoidance delantero.
Por ltimo, el Path Planner (perteneciente al OAS) verifica la trayectoria ideal
inicialmente generada por el ATModule frente a posibles. Si no existen obstculos, la
ruta inicial es vlida. En caso de detectarse obstculos, el Path Planner modifica la ruta,
resultando la ruta final a seguir por el vehculo.
La trayectoria final definida mediante puntos de control es enviada al Sistema de
control, que generar las rdenes para actuar los tres propulsores conforme a las
ecuaciones cinemticas del vehiculo.
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7.2 ATModule
El ATModule Genera la trayectoria ideal a seguir por el vehculo, partiendo de la
posicin relativa de la trazada de la tubera al vehculo. Mediante un sistema de
razonamiento integral que trata de imitar la toma de decisiones humanas, el mdulo
determina el estado de la tubera (enterrada, expuesta, intermitente o elevada sobre el
fondo). En funcin de dichos posibles estados de la tubera, decide el tipo de misin:
bsqueda de la tubera (search), seguimiento (track), volver a coordenadas donde la
tubera se detecta (go to) o abortar misin.
El ATModule se compone de dos mdulos trabajando en paralelo:
- ATOperate: mquina de estados finitoa (State Machine) simple y robusta que
decide la misin a llevar a cabo.
- EN4AUV: Un sistema experto (Expert System) ms flexible y adaptable,
incorporando una serie de posibles situaciones en forma de una serie de
reglas en su base de datos.
Figura 3: Modo de funcionamiento general del ATModule.[2]
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7.2.1 ATOperate state machine
Utiliza la informacin recibida del mdulo Mdulo de percepcin, as como la
informacin inicial del mdulo DMP. Con esta informacin se genera la mejor
estrategia a seguir en uno de los cuatro posibles casos predefinidos: buscar, omitir,
rastrear o abortar.
Inicialmente partiendo siempre del estado INIT, avanzar hacia el siguiente estado GO
TO, entonces el software carga las coordenadas de la posicin incicial conocidacontenidas en el Static Mission Plan y pasa a SEARCH, permaneciendo en este ltimo.
Se mantendr en este estado trazando trayectorias en zig-zag sobre un rea
predeterminada a partir de las coordenadas iniciales.
Si la tuberia se halla antes de H intentos, el vehiculo realizar el seguimiento (rastreo)
de la misma. En caso de que en los H intentos no se encuentre la tubera, o en caso de
que se pierda una vez haba sido hallada, el estado pasar a ser GO TO, volver a lasltimas coordenadas en que se detect la tubera.
La interconexin entre los posibles estados se muestra en el siguiente diagrama:
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Figura 4: ElDynamic Mission Planner tambin recibe informacin del Static Mission planner, en el que
se especifican el nmero de tuberas a ser seguidas, la profundidad u otros aspectos de la misin.[2]
7.2.2 EN4AUV (Expert Navigator for Autonomous UnderwaterVehicles)
La finalidad de este mdulo de es generar una trayectoria para el vehculo. Para ello
precisa de la informacin proveniente del Mdulo de Navegacin (posicin del
vehculo), del Mdulo de percepcin (posicin y trayectoria de la tubera relativa al
vehculo) as como el posible error de dichos valores. Basndose en esta informacin y
teniendo en cuenta las distintas caractersticas de la misin (Static misin Planer), el
EN4AUV decidir el estatus de la tubera (enterrada, expuesta, intermitente o elevada
sobre el fondo) de lo que resultar el estado del vehculo (GOTO, Search, Track, abort)
y se genera la trayectoria deseada del vehculo, basada en cuatro puntos de control a
travs de los cuales el vehculo deber pasar (waypoints).
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El EN4AUV es un sistema reactivo, es decir, que desencadenar una accin
determinada en funcin del entorno. Cada posible situacin se recopila en un conjunto
de alrededor de quince reglas. Cada escenario, desencadena en distintas acciones oestrategias de rastreo.
Se pueden incluir nuevos posibles escenarios, as como actualizaciones de los ya
existentes, en funcin de la misin que se desee desarrollar.
En funcin de la informacin recibida del Mdulo de percepcin, el EN4AUV decide el
estatus de la tubera (enterrada, expuesta, intermitente, elevada sobre el fondo) y elestado propio del vehculo (evitando un obstaculo, con el objeto bajo estudio como
encontrado o perdido, o volviendo a la ltima posicin conocida). Con esta informacin
se define el escenario, y en funcin de este, se genera la trayectoria deseada.
Las posibles acciones estn organizadas en una serie de simples subtareas: bsqueda de
la tubera (search), seguimiento (track), volver a las ltimas coordenadas en que la
tubera se detect (go to) o abortar misin. La trayectoria es generada por una de estas
subtareas, o por una encadenacin de ellas, como un conjunto de cuatro puntos de
control denominados waypoints.
7.3 Obstacle Avoidance Software (OAS)
Su cometido es detectar posibles obstculos en la trayectoria preliminar definida por el
ATModule y en caso de deteccin, modificar la ruta para evitarlos.
Para la deteccin de posibles obstculos cuenta con un sonar frontal (Obstacle
Avoidance Sonar), enfocando a la direccin de avance del vehculo.
Como parte del OAS, se encuentra el Path planner, encargado de la modificacin de la
trayectoria en caso de tener que evitar un obstculo. Dicha modificacin se realiza
mediante la recolocacin de uno o varios de los puntos de control que conforman la
trayectoria a seguir.
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Path Planner:
Adems de la modificacin de la trayectoria en caso de obstculos el Path Planner
recibe informacin del Static Mission Plan, que puede tomar el control en cualquier
momento modificando la trayectoria final. Puede ocurrir por distintos motivos, como
puede ser la seguridad.
Finalmente, la ruta final es enviada al Sistema de Gua y Control para generar las
rdenes individuales de cada propulsor.
8 Sistema de Gua y Control
Como entrada precisa: la posicin y velocidad del vehculo (Mdulo de Navegacin),
as como la trayectoria final a seguir (DMP, concretamente proviniendo del Path
Planner).
Si bien se consideran como un mdulo conjunto, encontramos por una parte el Sistema
de Gua (nav Block) y por otra parte el Sistema de Control (PI Control Block).
- Sistema de Gua: se encarga de calcular un vector con las variables deseadas
(coordenadas de la trayectoria deseada y una velocidad de referencia)
- Sistema de Control: En base al vector resultante del Sistema de Gua, y del
vector con la posicin y velocidad real del vehculo, realiza el clculo final
de la variacin necesaria en la trayectoria.
- Finalmente, mediante las ecuaciones cinemticas propias del vehculo, se
transforma la variacin necesaria en rdenes a ejecutar por los motores.
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Figura 5: diseo del sistema de gua y control. [1]
8.1 Sistema de Gua (Nav Block)
Se trata de un algoritmo de seguimiento de trazado basado en el sistema de Breivick y
Fossen. Este sistema se basa en la asignacin de dos partculas, una perteneciente al
vehculo (asociada a su centro de flotacin) y la segunda partcula asociada a la
trayectoria.
Partiendo de la posicin relativa de las partculas vehculo y trayectoria, mediante
clculos vectoriales referentes a las partculas, el mtodo determina:
- Una velocidad y trayectoria preliminar que debe seguir la partcula
vehculo para aproximarse a la trayectoria deseada.
- La actualizacin de la partcula trayectoria, de manera que no se llegue a
alcanzar por la partcula vehculo.
La posicin y velocidad de cada una de las partculas es parametrizado mediante una
variable escalar dependiente del tiempo ().
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Figura 6: esquema del funcionamiento del sistema de partculas.[1]
8.2 Sistema de Control
El sistema de control recibe como entradas dos vectores:
- Uno representando la posicin y velocidad del vehculo (Mdulo de
Navegacin).
- Otro con las variables deseadas (Sistema de Gua).
En primera instancia procesa ambos vectores proporcionado la variacin necesaria en la
trayectoria de la partcula vehculo.
Finalmente, para transformar los parmetros de partcula vehculo a rdenes directas
para los motores, es necesario aplicar las ecuaciones dinmicas del vehculo. Dichas
ecuaciones debern ajustarse empricamente con el vehculo finalizado.
Mediante simulaciones se pone el sistema a prueba. Algunos resultados de simulaciones
en trayectorias bidimensionales se muestran a continuacin:
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Figura 7:estudio de la respuesta del sistema de control. [2]
En la grfica superior izquierda, se puede observar como la trayectoria seguida por el
vehculo no alcanza la trayectoria deseada, pero se mantiene muy cerca de esta. En este
efecto se puede observar el funcionamiento del Sistema de Gua, actualizando la
posicin de la partcula trayectoria de manera que la partcula vehculo tienda
siempre hacia ella, sin llegar a alcanzarla. Por lo cual, por ejemplo, al realizar los giros
en los extremos superiores de la trayectoria, el vehculo nunca llega hasta el final de la
trayectoria deseada, ya que antes de que la partcula vehculo la alcance la cima, la
partcula trayectoria ya est descendiendo.
9 Niveles de control (jerarqua)
9.1 Niveles de programacin
Low-level y High-level son trminos utilizados para describir niveles de programacin
con caractersticas globales diferenciadas. Se trata de dos adjetivos que se utilizan por
comparacin, es decir, lo que en un contexto se considera Hight-level, puede ser
considerado Low-level en otro.
Como primera anotacin se puede decir:
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- Low-level: programacin en la que se detallan componentes individuales,
con la eficiencia como objetivo y con poca separacin del lenguaje de la
mquina.- High-level: programacin cuyos objetivos son ms generales en el
funcionamiento del programa como conjunto de componentes, cuyo lenguaje
tiende a distar ms del lenguaje de la mquina.
9.1.1 Low-level
Suele estar enfocado a la descripcin de componentes individuales y problemasconcretos, en lugar de otros ms generales.
El lenguaje de programacin que se relaciona con Low-level se caracteriza por ser ms
rudimentario y cercano al lenguaje de al mquina. Por ello, puede convertirse al
lenguaje de la mquina sin necesidad de compilarlo, como resultado el cdigo trabaja
directamente en el procesador. Otra caracterstica es la velocidad de funcionamiento,
asociada a su relativa simplicidad, y con un consumo de memoria bajo. Un programaequivalente redactado en lenguaje de High-level conllevar mayor carga computacional
y espacio en la memoria.
9.1.2 High-level
En l se detallan los objetivos finales o ms generales. Generalmente est ms
relacionado con el sistema como un todo y sus objetivos.
El lenguaje utilizado para programar Hight-level suele distar ms del lenguaje de la
mquina en s. Esto facilita la programacin y la hace ms comprensible. Suele contener
variables, expresiones aritmticas, subrutinas y otros conceptos de ingeniera
informtica.
En la programacin High-level, se puede decir que prima la funcionalidad frente a laeficiencia. Su composicin la hace ms lenta y pesada (espacio ocupado de memoria).
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9.2 Distribucin del software
El Hardware del AUV se compone de dos placas procesadoras principales, una quedenominamos de Low-level y otra de High-level. Al High-level le corresponde a un
FIT-PC, y al Low-level un DS-PIC.
En el FIT-PC (High-level) encontraremos la mayor parte del software, mientras que el
DS-PIC (Low-level) se centra en tareas que requieran menos capacidad de procesado y
de la comunicacin con todos los instrumentos.
Figura 8: esquema general de las conexiones entre alto y bajo nivel. [1]
9.2.1 Low Level
Asociado a una placa de desarrollo de microcontroladores Ingenia, denominada
iCm4011 que usa un dsPIC 30F4011 como procesador principal. Sus caracterstcas
principales son:
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- 16 bits
- 30MIPS de velocidad de la CPU
- Memoria flash de 48 Kb- 2.048 Bytes de RAM
Esta placa de controladores dispone de un gran nmero de puertos de comunicacin,
para conectarse con los sensores y otros procesadores:
- 2x Universal asincrono receptores/transmisores UART
- 1x Serial Peripheral Interface Bus SPI- 1x Circuito integrado I2C
- 1x Conversor de seales analgicas con 9x10-bit y 1000 kbps
Figura 9: esquema detallado de las conexiones de bajo nivel. [1]
En su interior se encuentran cargados:
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o Navigation Module:
GPS Profundmetro
INS
o Gyros
o Acelermetros
DVL
o Sistemas de Gua y Control.
Adems, comunica con los sensores, motores (a travs de sus controladores) y la CPU
(High-level). Desde el DSC-PIC se enviar toda la informacin necesaria de los
sensores a la CPU. Del mismo modo desde el DSC-PIC se enviarn todas las rdenes a
actuadores o sensores.
La comunicacin con el GPS se realiza mediante una conexin RS232, pero siguiendo
el formato dictado por la National Marine Electronics Association (NMEA).
Formato National Marine Electronics Association (NMEA):
El formato que la NMEA dicta para las comunicaciones entre instrumentos marinos
marca una serie de parmetros en la forma en que dichas comunicaciones son llevadas a
cabo:
- Baud rate: 4800
- Number of data bits: 8
- Stop Bits: 1 o ms
- Parity: ninguno
- Handshake: ninguno
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El tipo de cable utilizado ser adems un Serial asncrono. Para poder conectar dicha
salida al DS-PIC es necesario un conversor de Rs232 a USB:
Figura 10: conversor de conexin NMEA a RS232. [1]
9.2.2 High level
Se soporta en un PC Intel X86 con LINUX como sistema operativo de Compulab Inc.
El procesador es un AMD GEODE LX. En l se encuentra la mayor parte de la
electrnica, y se conecta con el DS-PIC (Low-level) y con el sistema de
comunicaciones.
Sus caractersticas principales son:
- 300MHz
- 512 Megabytes de RAM
- 40 Gg de disco duro
- Conexin Ethernet a 100Mbps dual
- Controladora grfica SXGA, de 640x480 a 1920x1440
- 5 Watts de consumo
Sus conexiones son:
- 2x USB 2.0
- 1x RS-232 va conector RJ11
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En su interior se encuentran cargados:
o DMP
ATModule: State Machine
EN4AUV
Obstacle Avoidance Software
o Obstacle Avoidance
Path Planner
o Mdulo de Percepcin Detector y Reconocedor de formas a partir de datos de
o Multi Beam Sonar
o Side Scan Sonar
Figura 11: arquitectura de control de alto nivel [1]
10 Alimentacin
Para la alimentacin de toda la instrumentacin se dispone de cuatro bateras del tipoplomo-acido de 12V y 7Ah.
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Las cuatro bateras se dividen en dos grupos:
- Dos bateras de alimentacin de propulsores
- Dos bateras de alimentacin de electrnica
Todos los sistemas se alimentan a travs de conversores de DC/AC. Adems se
encuentran tres tipos de voltajes para las necesidades especficas de cada elemento (5V,
12V y 24V).
Para la alimentacin de la electrnica, se dispone de una placa de alimentacin
compuesta por 3 conversores DC/AC, uno para cada voltaje necesario.
La alimentacin de los motores se realiza a travs de sus controladoras.
11 Telecomunicaciones
La comunicacin del usuario con el vehculo es necesaria, especialmente en el estado de
prototipo. Durante su funcionamiento en pruebas en superficie, mediante la
comunicacin es posible cargar misiones, comprobar el estado de la ejecucin de los
diferentes mdulos. Por otra parte puede ocurrir un fallo en el control autnomo que
obligue a recuperar el control manual del pilotaje del vehculo
Para conseguir comunicacin con el vehculo se instalan dos vas distintas de
comunicacin:
- Radio FM: se conecta directamente al DSP de la placa de Low-level por su
entrada PWM. Es un radio control estndar muy utilizado por hobbistas.
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- WIFI: se conecta directamente al puerto USB de la placa de High-level una
antena WiFi para armar una red privada con otras computadoras que pueden
ubicarse en muelle o embarcacin de superficie.
Para el control remoto del vehculo se desarrolla una interface en base Perl desde la que
es posible visualizar el desarrollo de todas las tareas internas del vehculo en tiempo
real, as como comunicarle al vehculo posibles misiones o controlarlo manualmente
durante las etapas iniciales de prueba as como en operaciones de recuperacin del
vehculo.
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Diseo del vehculo
12 Bases del proyecto:
Como punto de partida para el desarrollo del diseo del prototipo se determinan unaserie de requisitos a cumplir por el vehiculo. Dichos requisitos se dividen en 2 grupos:
de carcter conceptual y de carcter tcnico.
A continuacin se procede exponer el significado y repercusin de cada uno de ellos.
12.1 Requisitos conceptuales:
a. Prototipo enfocada hacia pruebas:
La principal misin del prototipo, como se ha comentado, es la de servir como vehiculo
de pruebas para la aplicacin real de un software de auto pilotaje, as como del
procesado de imgenes del que este requiere para poder detectar y seguir la tuberasumergida.
Por tratarse de un prototipo de pruebas se va a requerir que el acceso a sus componentes
internos sea lo ms cmoda posible. Por lo tanto el sistema de estanqueidad deber ser
fcilmente manipulable, y admitir numerosas repeticiones en apertura y cierre, sin que
por ello su funcionamiento se vea comprometido.
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Adems, el sistema de sustentacin de componentes interiores, deber permitir una
cmoda manipulacin y sustitucin de elementos.
b. Facilidad de construccin:
Se debe tratar de que sea posible fabricar el prototipo en la universidad, con los recursos
de que se disponen, recurriendo en la menor medida posible a industrias externas.
Consiguiendo de este modo reducir los costes.
Debido a que los recursos de la universidad son limitados este se presenta como unfactor determinante en el desarrollo del proyecto. La universidad no cuenta con un taller
mecnico especializado. Por ello deber estudiarse la posibilidad de realizar tanta parte
del diseo en material no metlico como sea posible.
c. Maximizar la modularizacin:
Un diseo basado en mdulos va a permitir:
Simplificacin del proceso de diseo.
Facilidad de montaje.
Adaptabilidad a variaciones en el diseo.
Facilidad en substitucin de componentes.
Versatilidad hacia adaptaciones futuras.
d. Maximizar estandarizacin:
Tratar de reducir el nmero de piezas distintas en el diseo. De esta manera la
fabricacin de piezas ser ms sencilla y se dar menor lugar para los errores y
reprocesados. Adems el stock de piezas distintas a adquirir ser menor (por ejemplo
pernos), facilitndose tambin el montaje y siendo menos probables errores por
confusin de elementos.
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Con ese mismo objetivo se tratar de estandarizar tambin los sistemas de unin y
anclaje de los distintos elementos.
e. Flexibilidad:
El diseo deber ser fcilmente adaptable ante posibles cambios. Dichos cambios
pueden incluir la adicin de elementos as como la reubicacin o extraccin de
elementos existentes.
f. Minimizar coste:
Algunos expertos definen la calidad como la consecucin del cumplimiento de unos
requisitos, con el mnimo coste posible. En este caso es perfectamente aplicable.
En puntos anteriores ya se ha hecho patente este aspecto como requisito especfico del
proyecto, sin embargo se presenta como un requisito especfico para reivindicar su
importancia.
12.2 Requisitos tcnicos:
a. Velocidad:
Para conseguir obtener una imagen ptica del fondo es necesario mantener
aproximadamente constante la velocidad. El rango de velocidades del sonar comercialseleccionado es de [0,5-2,6 m/s]. Cuanta menor es la velocidad de avance, mayor es la
resolucin obtenida en las imgenes acsticas del fondo. Teniendo esto en cuenta, se
fija una velocidad de operacin de 1,5 m/s.
b. Cota:
Como ya se ha comentado, el principal objetivo del prototipo a disear es el de realizarpruebas de funcionamiento del software desarrollado en la UIB. Por lo tanto, no es
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estrictamente necesario que la cota mxima de funcionamiento sea muy elevada. Sin
embargo, cuanto mayor sea la cota, ms cerca se encontrar el prototipo a un diseo
final capaz de trabajar con tuberas en localizaciones reales. Por otra parte, una cotaexcesiva, obliga a recurrir a metales para su fabricacin, por lo que entra en conflicto
con uno de los requisitos conceptuales principales del proyecto.
Los propulsores instalados en el prototipo tienen una cota mxima de 50 m, sin embargo
con el objetivo de permitir la posterior sustitucin de los propulsores por otros con una
cota mayor, se deja abierta la posibilidad de aumentar la cota si los resultados a lo largo
del proyecto lo permiten. Siendo finalmente la cota seleccionada de 100 m.
c. Autonoma:
El vehiculo funciona con energa elctrica almacenada en las bateras que carga
consigo.
El consumo del vehiculo puede ser dividido en 3 grupos toma de datos, electrnica de
control y propulsin. Se puede tomar el consumo del prototipo anterior como
aproximacin inicial:
Toma de datos: 15 W
Electrnica de control: 20 W
Propulsin: 300 W
La autonoma se fija como dato de partida de manera orientativa. Deber ser suficiente
para permitir sesiones de pruebas suficientemente largas. Basndose en la experiencia
acumulada por el grupo de trabajo en el proyecto previo se fija una autonoma objetivo
de una hora de funcionamiento normal, para lo cual se har necesaria una capacidad de
bateras de aproximadamente 29 Ah.
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Se fija tambin como requisito del proyecto el uso de bateras de plomo-cido de
capacidad 7 Ah y 2,15 kg de peso de las quee ya se dispone. El sistema electrnico fue
inicialmente montado con dichas bateras.
Por otra parte se debe prever una futura substitucin de las bateras de plomo-cido por
otras, de mayor relacin capacidad/volumen, distinto peso y de dimensiones distintas.
d. Maniobrabilidad:
Como hemos comentado, el vehiculo debe ser capaz de seguir la trayectoria de la
tubera sumergida. Adems, en ciertos intervalos la tubera queda enterrada por
sedimentos o rocas, con lo que el vehiculo calcula una supuesta trayectoria y deber
realizar una trayectoria de bsqueda.
Por ello ser importante la maniobrabilidad del vehiculo, para conseguir con precisin
aceptable dichos recorridos.
Adems deber mantenerse a una distancia aproximadamente constante del fondo. Por
ello ser necesario un suave control sobre el asiento. Variaciones en el asiento
demasiado bruscos pueden desvirtuar la toma de datos.
e. Estabilidad:
Para una correcta toma de datos es necesario que el asiento y la escora sean reducidos,
el vehiculo deber mantenerse casi paralelo al fondo.
Se debe tratar de evitar la escora en los giros y conseguir variaciones del asiento muy
graduales.
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13 Visin de futuro:
Como se ha comentado en el apartado anterior, el diseo se va a llevar a cabo teniendo
en cuenta una serie de elementos, as mismo, se debe disear teniendo en cuenta la
futura sustitucin de algunos de dichos elementos. En este apartado se recogern las
futuras variaciones que se prev va a sufrir el prototipo en desarrollo, adems de el que
debera ser el porvenir del proyecto global.
En primer lugar el diseo se desarrollar contando como elementos del mismo:
Baterias de plomo-cido.
Sonar Starfish.
Conectores.
Como primer paso, la substitucin de las bateras de plomo-cido por otras de mejores
caractersticas generales, con el objetivo de aumentar la autonoma.
En segundo lugar, la posible futura sustitucin del Sonar Starfish por otro modelo,
concretamente SeaKing ROV/AUV DST. Este modelo aumenta la calidad de las
imgenes acsticas, as como la cota de profundidad mxima desde los 50 m del
Starfish, hasta los 4000 m.
Finalmente la posibilidad de cambiar los conectores necesarios para el paso de los
cables a travs de las tapas del cilindro estanco de manera segura en caso de variacin
de otros elmentos.
Dichas posibilidades deben tenerse en cuenta tanto en cuanto al espacio como a la
posicin del centro de gravedad del conjunto.
En cuanto al proyecto general, como ya se ha comentado, la siguiente fase en el
desarrollo es tratar de conseguir que un grupo de vehculos trabajen de forma integrada
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como una unidad. Para ello se les equipa cada vehculo con un modem acstico
submarino, de manera que puedan comunicarse entre ellos y realizar misiones de forma
conjunta.
13.1 Metodologa de diseo
A continuacin se expone la forma en que se enfoca el desarrollo del proceso de diseo.
El punto de partida, queda definido en el apartado de Bases del proyecto, perteneciente
a la introduccin. Dichos requisitos conceptuales y tcnicos pueden quedar en forma
esquemtica como:
Requisitos conceptuales:
Prototipo enfocado hacia pruebas.
Facilidad de construccin: fabricacin en lo posible en materiales no metlicos,
fciles de trabajar.
Maximizar modularizacin. Maximizar estandarizacin.
Flexibilidad.
Minimizar coste.
Requisitos tcnicos:
Velocidad: 1,5 m/s
Cota: 100 m Autonoma: 4 baterias Pb-cido.
Maniobrabilidad.
Estabilidad.
En primer lugar se debe comprender la funcin a desempear por el vehiculo, sin perder
de vista el conjunto de requisitos conceptuales. Se trata pues de la superposicin de dos
criterios que deben satisfacerse simultneamente. Por una parte est la misin ltima delAUV; seguimiento de tuberas sumergidas y toma de imgenes para determinar su
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estado. Por otra parte, enfocar el diseo hacia la realizacin de pruebas, facilidad de
construccin etc.
Para el desarrollo de un prototipo que cumpla de manera eficiente con el conjunto de
requisitos, se decide elaborar un listado con diferentes posibilidades de diseo,
evaluando sus pros y sus contras (por ejemplo, casco simple casco mltiple).
Adems de esta serie de propuestas con bases bien diferenciadas, se plantea para cada
una de ellas distintas posibilidades para ciertos componentes, (por ejemplo, en el caso
del control de la arfada: timn servos).
Una vez elaboradas una serie de optativas, con sus diferentes posibilidades, se pasa por
un proceso de descarte, en el que se eliminan las opciones que presenten inviabilidades
o excesiva complicacin tcnica.
Una vez se ha reducido y desarrollado inicialmente las posibilidades ms prometedoras,
se presentan ante el grupo de trabajo, para ser expuestas y comentadas.
El grupo de trabajo aporta sus propias optativas y sugerencias.
Finalmente se adopta la solucin que ms eficientemente cumple con los requisitos
iniciales.
El desarrollo del diseo se realiza individualmente, presentando peridicamente los
avances que se van consiguiendo, tanto al grupo de trabajo como al director del
Proyecto Final de Carrera.
Para el diseo general, se decide optar por AUTOCAD como herramienta de
visualizacin en 3D. Cada pieza y elemento diseado se va encajando en el modelo. De
esta manera se puede contrastar automticamente si hay algn fallo dimensional. Por
otra parte, las variaciones que se dan en las primeras fases del desarrollo del diseo
obligan a re-dimensionar el modelo en mltiples ocasiones.
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El realizar el diseo general a travs de una herramienta como AUTOCAD, permite
visualizar mucho mejor el conjunto para conseguir la optimizacin del modelo. Permiteadems visualizar la ruta de montaje/desmontaje de cada elemento, as como la
secuencia de los mismos.
Del diseo general, se obtienen las dimensiones aproximadas de los principales bloques
que configuran el prototipo. Con estos resultados ya se puede proceder al diseo y
clculo elemento a elemento.
El clculo de resistencia longitudinal se realiza mediante hoja EXCEL.
Para el escantillonado del casco resistente, se recurre en primera aproximacin al cdigo
ASME: Pressure Vessels Design and Practice.
Los resultados obtenidos con dicho cdigo, se compraran con los resultados obtenidos
mediante la modelizacin del casco resistente en el software de clculo por elementos
finitos ANSYS. Posteriormente se realiza un estudio comparativo de distintas
configuraciones de las piezas por separada y su repercusin en la resistencia a la
presin.
Para el escantillonado del resto de elementos, se extraern las dimensiones del modelo
actualizado en AUTOCAD y se escantillonarn mediante ANSYS.
Las formas del vehiculo se basan en un perfil NACA simtrico revolucionado, al que se
introducen unas pequeas modificaciones. Dichas formas envuelven el conjunto de
elementos, trabajando nicamente como casco hidrodinmico (carcasa exterior), sin ser
estanco.
Una vez obtenidas las formas, es posible realizar una estimacin de la resistencia
hidrodinmica del prototipo.
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Una vez se ha obtenido un diseo preliminar, se realiza un estudio de la estabilidad
esttica y dinmica mediante EXCEL. Para conseguir la flotabilidad nula, as como el
asiento nulo, son necesarios ciertos ajustes. Para este fin es de gran ayuda el uso de unlibro EXCEL en el que se vinculan todos los elementos. Es posible conocer la
repercusin de la variacin en la posicin de cualquier elemento, tanto en la resistencia
longitudinal, como en la estabilidad, lo que resulta muy til para converger en el
resultado deseado.
14 Estudio de las optativas:
Los aspectos sobre los que se debe decidir son:
Casco resistente estanco: Toda la electrnica, as como las bateras deben
protegerse en uno o varios espacios estancos seguros. Puesto que tanto las
bateras como la electrnica producen calor, es necesario comprobar que la
disipacin supera a la generacin. La configuracin del casco o cascos
resistentes, por ser los elementos de mayor tamao, determinarn en gran
medida la forma del vehiculo y por lo tanto su resistencia al avance.
Propulsin: Uso de 2 sistemas propulsores (motor+hlice) de los que ya se
dispone.
Direccin: La maniobrabilidad es uno de los factores crticos del proyecto. Es
necesario el seguimiento de una trayectoria precisa calculada por el propio
vehiculo. Se deber buscar un sistema de gobierno robusto y fiable, cuya
construccin sea lo ms sencilla posible.
Control de la arfada: El vehiculo debe ser capaz de descender rpidamente
hasta el lecho marino, y una vez all, mantenerse paralelo a este. Las variacionesen la arfada debern ser suaves, para evitar la distorsin en la toma de medidas.
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Una vez ms, se debe tratar de implantar un sistema de gobierno robusto, fiable
y de fcil construccin.
Control de profundidad: Algunos AUV no poseen control de arfada, pero en
cambio poseen un sistema cilindro pistn que les permite modificar su volumen
y por lo tanto modificar su profundidad. Esta posibilidad tambin se tiene en
cuenta.
Casco resistente estanco
Mayor simplicidad de construccin.
Ms seguridad, menores posibles vas de entrada de agua.
Mejor hidrodinmica (un solo casco ms alargado, menos rozamiento que 2 cascos
ms cortos).
Puesto que el dimetro mnimo necesario es el mismo para ambos casos, requiere
menor empacho y menor peso.
Simple
Peor accesibilidad a elementos en su interior. Compensado mediante acceso desde
cada extremo.
Mltiple Sujecin de mltiples propulsores e instrumentacin ms simple.
Propulsin
Mnimo coste de adquisicin.
Obliga al uso de timn o aleta.1 propulsor
Su posicin queda limitada a proa o popa.
Coste de adquisicin moderado, permite la no utilizacin de timn
o aleta.2 propulsores
Permite libre posicionamiento.
Coste de adquisicin excesivo.3 o ms
propulsores
Permite libre posicionamiento
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