PLANEADOR AUTÓNOMO SUBMARINO

Barreiro, J.** , Pardo, H.** , García, E.*

*Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática, Universidad Politécnica de Valencia, Camino de Vera s/n, 46071 Valencia, (España)

E-mail : egarciam@isa.upv.es

**Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño, Universidad Politécnica de Valencia, Camino de Vera s/n, 46071 Valencia, (España)

E-mail : {jesbarch, hecparib}@etsid.upv.es

Resumen

El presente artículo aborda distintos conceptos a considerar en el desarrollo de un Glider, o Planeador Autónomo Submarino, como dispositivo de sensorización y toma de datos para tareas de investigación en el entorno marino, durante largos períodos de tiempo y grandes distancias. Palabras Clave: Vehículos Autónomos Submarinos, Sistemas de Sensores, Control de navegación. 1 INTRODUCCION Un Glider es la definición en inglés del concepto castellano de “planeador”. Se utiliza indistintamente para los conceptos de planeador aéreo y también submarino, el tipo que se aborda en el presente trabajo es el de un Planeador Autónomo Submarino (PAS). Para ilustrar la idea se muestra la siguiente imagen (Fig.1), que se corresponde con un modelo precursor de PAS ya existente, el Slocum. Un PAS, entendido desde el punto de vista científico-técnico, es un sistema autónomo que navega bajo el nivel del mar diseñado para realizar múltiples medidas del entorno marino. A un determinado nivel de abstracción, un PAS puede considerarse un sistema donde cooperan 3 subsistemas bien identificados. Estos subsistemas son: a) un sistema de control de navegación, b) un sistema de comunicaciones y c) un subsistema de sensores científicos. Cada cierto tiempo el planeador sale a la superficie para transmitir los datos, vía satélite, a un centro dónde son procesados, al tiempo que eventualmente, recibe nuevas instrucciones para realizar nuevas misiones. Una vez el planeador ha sido depositado en el agua, debe esperar a recibir las instrucciones de gobierno,

es decir: un punto de coordenadas terrestres, un rango de profundidades alcanzable en su desplazamiento, la frecuencia de muestreo, la frecuencia de transmisión…etc. Lo segundo que debe hacer el PAS es sumergirse, para ello debe controlar su propio nivel de flotabilidad. Variando dicho nivel el PAS consigue descender y ascender, alcanzando diferentes profundidades bajo el nivel del mar según haya sido programado. De este modo y gracias a su diseño como planeador, describe una trayectoria en forma de diente de sierra que le permite avanzar por la ruta que le ha sido programada con un mínimo de consumo energético. Mientras describe este movimiento por el fondo marino el PAS debe ir recopilando datos según hayan sido programados sus diferentes sensores. Se debe tener en cuenta que el planeador para sumergirse debe inundar ciertas zonas internas, por lo que la estanqueidad deberá tener distintos niveles, que se diferenciaran en zonas húmedas y zonas secas. Los sensores están instalados dentro del PAS y pueden o no estar en contacto directo con el agua, por lo que algunos deberán estar en las zonas inundables o húmedas del PAS, otros en cambio podrán estar aislados en las zonas secas. Los sensores científicos son los encargados de tomar las medidas y adaptar la señal para que los datos puedan ser procesados y almacenados. Originalmente los PAS fueron desarrollados como perfiladores dinámicos en operaciones de medidas de Tª y salinidad del entorno oceánico. Actualmente su aplicación se ha extendido desde repetidores en sistemas de comunicaciones en el mar, hasta de funciones de patrullaje, vigilancia, o buscaminas en aplicaciones militares. Este tipo de planeadores submarinos debe tener un estudiado diseño que les permita planear sin necesidad de equipo de propulsión por aguas marinas, con una mínima resistencia al avance ya que el uso de un propulsor disminuiría sensiblemente su autonomía. Además, el PAS debe disponer de un sistema de estanquidad que sea capaz de garantizar el

correcto funcionamiento de los diversos sensores y equipos electrónicos inherentes al dispositivo para realizar las medidas, almacenarlas y transmitirlas. 2 BLOQUES FUNCIONALES 2.1 INTRODUCCIÓN A LOS BLOQUES

FUNCIONALES DEL PAS Como se puede ver en la siguiente imagen (Fig. 1) un planeador submarino de estas características divide su funcionamiento en varios subsistemas independientes, como se ve en la Fig. 2, además del funcionamiento en agua (Fig. 3), de tal forma que trabajan autónomamente según el algoritmo de control que haya sido implementado en el sistema de gobierno.

Figura 1: Slocum PAS

Figura 2: Subsistemas del PAS En el presente artículo se realiza una descripción de esos tres subsistemas. En cada una de esas partes se realizará una breve explicación del funcionamiento general y que dispositivos son necesarios para desempeñar dicho funcionamiento.

Figura 3: Simulación de funcionamiento del PAS

2.2 SISTEMAS DE COMUNICACIÓN El sistema de comunicación es el encargado de recopilar todos los datos científicos almacenados, así como de recibir las instrucciones de control remoto y realizar las tramas de comunicación, para posteriormente enviarlas vía satélite. Un aspecto básico en el sistema de comunicación es elegir con qué sistema se va a trabajar, ya que la cobertura vía satélite exige una serie de dispositivos específicos para cada sistema. En este trabajo se ha optado por el sistema Iridium debido a las prestaciones y a las tarifas disponibles en su sistema comunicaciones. En la siguiente imagen (Fig. 4) se muestra el módem de 9522B que permite la comunicación con el satélite de Irídium.

Figura 4: Módem 9522B de Erziasat

Seguidamente se muestra (Fig. 5) una antena de la casa Iridium para garantizar la cobertura de la señal satelital.

Figura 5: Antena Openport

2.3 SENSORES CIENTIFICOS Los denominados sensores científicos son los encargados de tomar las medidas de variables del

entorno marino de interés para un posterior análisis. En concreto, en el proyecto de investigación que auspicia el presente trabajo, se tiene interés en la investigación sobre las diferentes velocidades que alcanzan las corrientes submarinas locales en nuestro litoral, con objeto de su posible aprovechamiento como recurso para la generación de energías renovables mediante turbinas submarinas, por lo que principalmente, para esa finalidad se requerirá de un sensor de velocidad relativa. En la siguiente imagen (Fig. 6) Podemos ver el sensor escogido para realizar dicha tarea. El modelo 803 de Valeport.

Figura 6: Modelo 803 de Valeport Con el modelo 803 se puede medir la velocidad relativa de las corrientes marinas en tiempo real, facilitando así el conocimiento de las corrientes marinas y además de esto, conociendo el desplazamiento real del PAS en cada instante de tiempo. Cabe decir que además de la velocidad de las corrientes, el sistema de sensores científicos obtendrá una lectura en tiempo real de la temperatura del agua. Esto será posible utilizando algunos de los instrumentos del sistema de navegación, que son capaces de registrar el valor de la temperatura. El sistema de sensores científicos recogerá el valor de esa temperatura y la incluirá en las medidas de corrientes submarinas, para de este modo, más información a los datos obtenidos. 2.4 SISTEMAS DE NAVEGACIÓN El sistema de navegación del planeador submarino consta de varios dispositivos que permiten el conocimiento de distintos parámetros necesarios para una navegación autónoma. Dichos parámetros son: profundidad, flotabilidad y posicionamiento global. El sistema de gobierno deberá interactuar con cada uno de los dispositivos que proporcionará las medidas antes mencionadas. En la siguiente imagen (Fig. 7) se puede ver el sensor de presión modelo PA21SR de Keller. Este permitirá al PAS conocer la presión a la que se encuentra, y mediante unos sencillos cálculos se podrá conocer cuantos metros de columna de agua existe por encima del planeador.

Figura 7: Sensor de presión PA21SR de Keller

Inicialmente, para el control de la profundidad del planeador submarino y en ensayos preliminares, se utilizará un sistema sonar de bajo coste, este deberá ir enrasado al nivel del casco del planeador. Además de ofrecer el dato de la profundidad, el transductor también registrará el valor de la temperatura del agua. En la siguiente imagen (Fig. 8) podemos ver el modelo P319 de Airmar, que registrará el valor de la profundidad y la temperatura.

Figura 8: Transductor Sonar P319 de Airmar

Para controlar la variación de la flotabilidad se empleará un sistema basado en vejigas hidráulicas. Esto permitirá al sistema de gobierno accionar los actuadores necesarios para hinchar o deshinchar las vejigas, permitiendo variar el parámetro de la flotabilidad del PAS, con lo que se permite así al planeador ascender y descender por las profundidades marinas. En la siguiente imagen (Fig. 9) podemos ver el motor de la vejiga que será empleada en el PAS. El modelo Super Zip-Jet de Tritech, permitirá al PAS sumergirse y emerger hasta la superficie hinchando un sistema de vejigas que variarán la flotabilidad del planeador.

Figura 9: Vejiga hidráulica Super Zip-Jet, de Tritech

Por último el sistema de planeo submarino debe contar con un sistema de posicionamiento global, ya que cada cierto tiempo saldrá a la superficie para

enviar datos y obtener las coordenadas exactas de su posición. En la siguiente imagen (Fig. 10) se puede ver el modelo seleccionado para captar la señal GPS de un satélite, el modelo GH2183 de Airmar.

Figura 10: Modelo GH2183 de Airmar

Además de dar la posición GPS para que el PAS pueda orientarse cuando emerja a la superficie, el modelo GH2183 consta también de un acelerómetro y un compás.

3 CONTROL DE NAVEGACIÓN 3.1 INTRODUCCIÓN AL CONTROL DEL

PAS Como se ha visto anteriormente, el planeador submarino dispone de los subsistemas necesarios para llevar a cabo los distintos objetivos para los cuales ha sido diseñado. Estos subsistemas deben ser controlados y coordinados por un sistema de control. En el presente artículo no se va ahondar sobre cuál de los dispositivos de gobierno resultaría más adecuado para el PAS, pues como es sabido, esta tarea podría ser llevada a cabo mediante un nanoautómata programable, un sistema embebido basado en microcontrolador… etc. En cualquier caso, seguidamente se va a profundizar sobre las iteraciones, estados y secuencias que el algoritmo de control debe seguir para hacer del planeador un sistema autónomo, sea cual sea la arquitectura posteriormente seleccionada. 3.2 ALGORITMO DE CONTROL Inicialmente se describirá un modelo de diagrama de estados general en el que se vean los macroestados en los que se podría dividir todo el funcionamiento del planeador, abordando cada macroestado y estudiándolo por separado. Atendiendo a las especificaciones, se propone el siguiente modelo de macroestados (Fig. 11):

NAV

EDA

CES

Figura 11: Diagrama de estados

Como se observa en el modelo, el estado inicial es el CES (Comienzo de excursión) por el cual el PAS recibe instrucciones de la misión a desarrollar, fijación de punto de destino y rumbo correspondiente. Los otros dos macroestados son NAV (navegación) en el cual el PAS realiza las tareas de, a) desequilibrio interno de masas y b) control de nivel adecuado (alternante de flotabilidad negativa/positiva) para el planeo submarino y toma de datos, y eventualmente el EDA, estado de equilibrio entre dos aguas (con flotabilidad neutra) en el cual el PAS realizará ciertas medidas puntuales y transmitirá los datos cuando emerja. Ahora se explica con más detalle el funcionamiento del macroestado CES (Comienzo de excursión) (Fig. 12):

CES

CESPOINT

ACTUADORES

TRANSMISION

RECEPCIONWAYPOINT

ACTUADORES

SENSORES

REGULADORES

Figura 12: Macroestado CES

CES – Rama derecha CESPOINT: Punto de inicio de la travesía del PAS, lugar en el cual se le asigna un waypoint o coordenadas de punto de destino. RECEPCIÓN DEL WAYPOINT: El PAS recibe el punto de destino (waypoint), es decir, el punto en el cual finaliza su travesía, por tanto el rumbo será la recta que une el punto cespoint con el waypoint. ACTUADORES: El PAS a partir de la recepción del waypoint ha de activar diferentes componentes para poder avanzar según el rumbo trazado.

Durante su travesía en inmersión, el PAS utilizará técnicas de navegación por estima, ya que en dicha situación de inmersión no va a disponer de información precisa de GPS que le permita una corrección del rumbo. Una serie de visitas programadas a superficie, podrán ser utilizadas para realizar correcciones precisas de rumbo. El sistema de control realizará desplazamientos internos de masas que propiciarán los movimientos de roll y pitch correspondientes que efectuarán las correcciones necesarias, para alcanzar las coordenadas de destino. CES – Rama izquierda El funcionamiento básico de la rama izquierda del diagrama de estados del CES será la de la transmisión de datos, para este menester se utilizaran las siguientes dos etapas: ACTUADORES: Los actuadores dirigirán el movimiento del PAS hacia la superficie, mediante el alcance de flotabilidad positiva con el fin de alcanzar el punto de transmisión. TRANSMISIÓN: En este punto el PAS transmitirá los datos que ha ido recopilando durante su travesía. Después de transmitir dichos datos, el PAS deberá retomar su rumbo y pasará a comportarse como el diagrama de estados describe en su rama derecha, hasta que sea llamado para transmitir.

Seguidamente se explica de forma general el macro estado de NAV (Navegación) (Fig. 13):

NAV

WAYPOINT

ACTUADORES

SENSOR

REGULADORES

Figura 13: Macroestado NAV

WAYPOINT: Punto al cual se ha de dirigir el PAS desde el cespoint, es decir, este punto, define el rumbo que ha de tomar el PAS. ACTUADORES: Los actuadores del sistema de navegación (control de flotabilidad y control de posición de masas internas) fijaran los parámetros que el PAS ha de utilizar para alcanzar el waypoint. SENSOR: En cada retorno a superficie, se comprobará (GPS) si el desplazamiento está siendo el previsto, o ha sido modificado debido a las corrientes marinas y a demás elementos que puedan influir en el rumbo.

REGULADORES: A partir de la información obtenida del GPS, los reguladores serán los encargados de ordenar cambios de rumbo a los actuadores para alcanzar el waypoint, en ese momento todo esto se realiza en lazo cerrado. Terminaremos con el macroestado de CES (Comienzo de excursión) (Fig. 14):

EDA

EDAPOINT

ACTUADORES

SENSORESTOMA  DE  DATOS

REGULADORES

Figura 14: Macroestado EDA

EDAPOINT: Es el punto en el que al PAS se le ordena que muestree los distintos tipos de datos científicos de interés. ACTUADORES: Los actuadores serán los encargados de posicionar adecuadamente el PAS para que cumpla su función en este macroestado, el de recopilación de datos. SENSORES/TOMA DE DATOS: En este apartado el PAS tomara datos mediante los sensores que incorpora, además de los datos de estudio, los sensores de posición informaran a los reguladores asistiendo a la correcta recogida de datos. Estos datos serán almacenados para ser transmitidos en la etapa CES. REGULADORES: Los datos obtenidos en el anterior apartado serán leídos por los reguladores los cuales realizaran los pertinentes ajustes para que los actuadores posteriormente y mediante lazo cerrado mantengan el PAS en una posición óptima de cara a la toma de datos. 4 DISEÑO CAD DEL PAS Para el diseño del prototipo que se plantea en este trabajo se ha escogido el del planeador tipo Slocum[6], aunque con algunas modificaciones para adaptarlo a las necesidades del proyecto. En principio se va a utilizar un sistema de intercambio de flotabilidad del tipo pistón accionado por un motor de corriente continua y un sistema de transmisión de movimiento. En la figura 15 se puede ver el diseño del casco del prototipo SGU-005 diseñado utilizando el software comercial Unigraphics NX6 de Siemens. Este software, aparte de permitirnos realizar el diseño estructural del prototipo con el máximo detalle, también permite realizar simulaciones de tipo

cinemático, dinámico, análisis del material, análisis de resistencia estructural simulaciones de la hidrodinámica, etc. El primer objetivo de este proyecto es el desarrollo de simulaciones del prototipo que permitan ver las especificaciones que puede cumplir (en simulación) el prototipo diseñado.

Figura 15. Casco del prototipo SGU-005.

Figura 16. Sistema de Anclaje/Refuerzo del Hull_Comunication.

Figura 17. Montaje completo del PAS con vista interna.

Figura 18. Representación del diseño de la aleta de cola del PAS (vista isométrica).

RECONOCIMIENTOS El presente proyecto de investigación ha sido financiado como Proyecto de Investigación ENE2010-21711-C02-01 por el MICINN español. Las empresas ValenciaPort (Autoridad Portuaria de Valencia), Ingeteam Service S.A. y Mesemar están colaborando activamente en el desarrollo del mismo. REFERENCIAS [1] (2005) Physical Oceanography Physics 3300. [2] Chunzhao, G., Mini Underwater Glider (MUG)

for Education. [3] Elvander, J., (EGO 2011) The Bluefin Spray

Glider. [4] Eriksen, C., (2003) Autonomous Underwater

Gliders, Prepared of the Autonomous and Lagrangian Platforms and Sensors (ALPS) Workshop.

[5] Rudnick, D.L., (2004) Underwater Gliders for Ocean Research.

[6] Wood, S., (2010) Autonomous Underwater Gliders.

[7] http://www.airmartechnology.com/ [8] http://www.bluefinrobotics.com/ [9] http://www.erziasat.com/index.php [10] http://www.irobot.com/en/us/robots.aspx [11] http://www.valeport.co.uk/