submarino inspeccion.pdf

7/26/2019 SUBMARINO INSPECCION.pdf

1/186

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


2/186

E.T.S.I.N.O.DISEO Y CONSTRUCCIN DE

MINISUBMARINO AUTNOMO DEINSPECCIN DE TUBERAS

SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA

Gabriel Riera Navarro - 1 -

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


3/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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


4/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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


5/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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).


6/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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


7/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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


8/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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


9/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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.


10/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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.


11/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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,


12/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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


13/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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


14/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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.


15/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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:


16/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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


17/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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.


18/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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).


19/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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.


20/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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.


21/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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.


22/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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.


23/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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]


24/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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:


25/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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).


26/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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.


27/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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.


28/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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 ().


29/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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:


30/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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:


31/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


- 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).


32/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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:


33/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


- 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:


34/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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


35/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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


36/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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.


37/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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.


38/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


- 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.


39/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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.


40/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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.


41/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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


42/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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.


43/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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.


44/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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


45/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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


46/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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.


47/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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.


48/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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.


49/186



SUMERGIDAS

MEMORIA EXPLICATIVA


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


50/186



SUMERGIDAS

MEMORIA

submarino inspeccion.pdf

Documents