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Vehículo Submarino Autónomo para trabajos
oceanográficos en aguas costeras
Antonio Guerrero González1, Tomás López Maestre2, Javier Gilabert Cervera3, Javier García-Vidal
Simón4, Antonio Zamora Ayala5, Inocencio González Reolid6
Resumen—Este trabajo consiste en la descripción del
trabajo realizado por los equipos de investigación del
laboratorio de submarinos de la UPCT, del submarino
autónomo Aegir, de la experiencia realizada en noviembre
de 2011, en una misión científica de exploración
oceanográfica en el Mar Menor, Murcia. Se describe los
elementos del submarino y los retos para el futuro.
Este laboratorio se ha constituido durante el año 2010,
y en este momento dispone de varios proyectos
concedidos para la exploración del Mar Menor [6] y el
diseño de vehículos submarinos.
Una de las líneas de investigación en el campo de la
inteligencia artificial es la aplicación de redes
neuronales de inspiración biológica para el control y la
generación de trayectorias [7], [8] y [9].
Palabras clave—Exploraciones oceanográficas, robot
navegadores, vehículos submarinos autónomos (AUV), mar
Menor, navegación automática.
II. VEHÍCULO SUBMARINO AEGIR.
I. INTRODUCCIÓN
L
OS vehículos autónomos submarinos (AUV) son
robot submarinos con capacidad de movimiento y
desarrollo de misiones bajo el agua sin que sean
comandados directamente por un operador, por tanto los
AUV disponen de autonomía energética e inteligencia
suficiente para llevar a cabo las tareas programadas [1],
[2], [3], [4] y [5].
Los AUV’s forma parte de un gran grupo de sistemas
submarinos conocidos como Vehículos Submarinos no
tripulados (UUV), una clasificación que incluye
Vehículos Submarinos Teleoperados, estos son
vehículos submarinos que son operados de forma remota
desde una estación en la superficie del mar, comúnmente
denominados Vehículos Operados a Distancia (ROV).
Los Vehículos Submarinos no tripulados (UUV) se
han desarrollado para llevar a cabo misiones submarinas
como facilitar la monitorización de las zonas costeras,
desactivación de
minas
submarinas, estudios
oceanográficos y arqueología submarina.
El Laboratorio de Vehículos Submarinos de la UPCT
– Isaac Peral – es un grupo de investigación
multidisciplinario con experiencia en Oceanografía
Biológica, Arquitectura Naval, Ingeniería Oceánica,
Robótica, Redes Neuronales Artificiales, Electrónica y
Telecomunicaciones. En la actualidad el laboratorio está
situado en el Centro de Desarrollo e Innovación
Tecnológica de la UPCT ubicado en el Parque
Tecnológico de Fuente Álamo y en la Escuela Técnica
Superior de Ingeniería Naval y Oceánica de Cartagena.
El objetivo de este equipo es el desarrollo de equipos y
técnicas útiles para la exploración del océano.
* Corresponding author:
[email protected] (Antonio Guerrero González)
Published online at http://journal.sapub.org/xxx
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El vehículo submarino de la empresa Gaymarine
S.R.L, perteneciente a la Armada Española, fue
solicitado en cesión por motivos de desuso e
inoperatividad, ya que tiene una antigüedad de más de
30 años. Esta cesión tiene un tiempo de duración de
unos cuatro años ampliables, de los cuales, ya se ha
cumplido uno. El vehículo se encontraba en un estado
bastante deteriorado, dañado y en desuso, la mayoría de
su instrumentación y componentes no funcionaban.
Fig. 1. Estado del vehículo submarino recién cedido.
Al vehículo submarino desde que fue cedido ha
sufrido numerosos cambios, los más importantes son los
que se apreciar en las siguientes fotos, destacando el
color rojo y con una franja amarilla en medio imitando
los colores de la bandera española. También las
modificaciones que ha sufrido en la cabeza, donde se le
ha hecho un agujero para instalar un pivote con 4 tomas
para pasar cables, encima el nuevo sonar instalado y una
nueva toma de chigre para pasar el cable umbilical que
conecta el submarino con el exterior.
Fig. 2. Diferencias del Vehículo Submarino Aegir..
El interior del submarino es lo que mayor cambio ha
sufrido, debido a las reparaciones e instalación de los
nuevos dispositivos. Se muestra de forma separada y
generalizada el interior del submarino. Como se puede
observar en las Fig. 3 y Fig. 4, el submarino dispone de
cinco motores, diez baterías de plomo-ácido, las seis
primeras son las baterías de potencia destinadas a
alimentar los motores, las dos últimas son las baterías de
control encargadas de alimentar toda la electrónica y las
dos que se forman de los laterales están dispuestas como
apoyo en el momento que se determinen como por
ejemplo pasar los motores del modo 24V a 48V.
Se ha dispuesto de una caja de conexión de los
motores y la cRIO(Compact RIO) junto a la tarjeta
controladora de las señales y algunos suministros
eléctricos, en la zona de las baterías, a la izquierda de
estas, están las conexiones de las señales que vienen de
la cabeza y los cable de suministro de alimentación que
provienen de las baterías.
Fig. 4. Foto del interior del Submarino, zona de las baterías y motor 5.
La cRIO es la unidad de procesamiento de todas las
señales tratadas en el programa, exceptuando las que son
tratadas a alto nivel o a nivel CPU, como la cámara de
red, el GPS o el sónar. La controladora es el modelo
9022, su chasis el 9113 de cuatro puertos, de los cuales
dos de ellos son utilizados. El módulo 1 es el 9477 de
salidas digitales por lo que a nivel de programación, sólo
llegan señales booleanas, si se necesitan otros datos
serían entradas analógicas, es el caso del módulo 2, el
9205 de entradas analógicas, donde a la CPU llegan en
forma de datos numéricos de tipo doublé precisión.
Fig. 5. Imagen del interior de la cabeza del Submarino, zona de la
cámara, GPS, IOLAN, etc.
Fig. 3. Imagen del interior del Submarino, zona de los motores 1, 2,3
y 4 y cRIO 9022.
En la Fig. 5 se puede ver el interior de la cabeza,
donde podemos apreciar algunos de los componentes
añadidos como el GPS, la cámara, IOLAN DS1, el
switch, etc. El pequeño botón que se puede visualizar es
el de pruebas del sensor de inundación, al pulsarlo se
hace un corto para probar que este sensor funciona
perfectamente.
El módulo 1 recoge las señales de activación de todos
los motores y el cambio de dirección de los motores,
además de la señal de activación de focos, modo 24V48V, movimiento de la cabeza, dirección de la cabeza,
activación de ventiladores del cuerpo y otras señales
(como indicadores, micromotor1, micromotor2 o DCDC) no descrito en este trabajo. El módulo 2 recoge
temperatura, humedad, nivel de las baterías, potencia y
control, inundación, profundidad y posición de la
cabeza. Hay que aclarar que estos datos llegan por dos
entradas distintas, es decir, profundidad: tiene la señal
profundidad (+) positiva y la señal profundidad (-)
negativa, las cuales hay que tratarlas como datos
diferenciales para que estas dos se unan en una sola y
conseguir así los datos reales deseados.
Fig. 6. Imagen del sónar Micron DST montada en la cabeza del
Submarino Aegir..
El sónar se encuentra conectado por puerto serie al
conversor IOLAN DS1, Fig. 6, este cable serie es
especial ya que 2 de sus pines se usan para dotar de
corriente al sónar que durante las pruebas se ha usado
una fuente de alimentación y durante las pruebas en el
agua la alimentación la proporciona una batería que se
encuentra en la cabeza del vehículo submarino.
para la unidad inercial. Cada uno dispone de
configuraciones diferentes, ya que el del sónar está
pensado para ser usado en la Tablet y el sistema inercial
sobre el portátil.
En la Fig. 9 se ven dos fotos de los switch, uno se
encuentra instalado en la cabeza para unificar las señales
de red de la cámara, del sónar y de la unidad inercial y la
otra es para conectar con el switch del cuerpo. El switch
del cuerpo recibe la señal Ethernet de la cabeza, de la
cRIO y la que enlaza con el router exterior a través del
cable umbilical.
El sensor de temperatura, aunque dispone de una
pantalla digital para mostrar la temperatura, dicha
pantalla no es útil, ya que el submarino estará cerrado, la
señal se transmite al módulo 2 de entradas analógicas de
la cRIO. Para detectar la temperatura, el sensor dispone
de un sensor puntiagudo ubicado en un lado de las
baterías del cuerpo, Fig. 10.
Fig. 8. Conversor y unidad inercial en el interior de la cabeza del
Submarino Aegir.
Fig. 7. Cámara IP en el interior de la cabeza del Submarino Aegir..
En la Fig. 7 se aprecia la cámara de red, está sujeta
sobre un soporte en la parte inferior de la cabeza, para
que quede centrada en uno de los huecos destinados a
los dispositivos de visión, la cámara va cableada con
Ethernet hasta el switch de la cabeza, de este al switch
del cuerpo y de este al router.
El conversor permite transformar la señal del puerto
serie a Ethernet (RJ-45). Durante las pruebas en tierra se
ha usado un cable RJ-45 cruzado, para realizar una
conexión directa con el conversor. Durante las pruebas
en agua se encuentra conectado a un switch común para
varios dispositivos.
El sónar está colocado de forma que esté siempre
orientado hacia el frente, aunque puede hacer rondas de
360°, lo normal sería hacerlas en momentos puntuales y
mantenerla casi siempre en modo de rastreo de 90º ó
180°, el cable va por dentro de tubos que se ven en la
Fig. 8, dispone de dos entradas para cables delgados y
las otras dos restantes para cables más gruesos.
La antena GPS, aquí no mostrada, dispone de un cable
de 1,5 metros, se encuentra instalada en la parte interior
y superior del casco de la cabeza, el submarino al estar
fabricado en resina de gran grosor, permite la
transmisión y recepción de señales GPS, móviles, Wifi,
etc.
Los convertidores serie Ethernet se encuentran ambos
situados en una de las estructuras metálicas que hay en
la cabeza, uno es para el sónar del submarino y el otro
Fig. 9. Los Switch en el interior de la cabeza y del cuerpo del
Submarino Aegir.
Al igual que el sensor de temperatura, el sensor de
humedad utiliza también el módulo 2 de entradas
analógicas para transmitir la señal al programa de
monitorización, se encuentra montada en una pequeña
tarjeta, porque el sensor funciona a 5V y es necesario
utilizar un regulador de tensión de 5V.
Fig. 10. Sensor de temperatura y humedad en el interior del cuerpo del
Submarino Aegir..
El sistema inercial necesita de uno de los dos
conversores IOLAN DS1 utilizados en el submarino,
Fig. 11, se consigue convertir las señales de los cables
del puerto serie, en paquetes que pueden ser enviados y
tratados vía Ethernet, Fig. 12, así se unificar los
elementos necesario dentro de la extensa red Ethernet
que se ha instalado, para simplificar el transporte de
datos y cables que salen del submarino, Fig. 13 y Fig.
14.
Fig. 14. Esquema conexiones sensor de temperatura y humedad y
mando Logitech de control a distancia.
Fig. 11.Esquema conexiones sonar, GPS, cámara y Switch del
Submarino Aegir.
III. EMBARCACIÓN DE SUPERFICIE ARRASTRADA.
Uno de los principales riesgos del desarrollo de un
AUV es la posibilidad de perder el vehículo en test o
misiones en mar abierto. La peor condición que se puede
plantear es en operaciones sin conexión con la
superficie, sin posicionamiento GPS o la trayectoria
bajo el mar establecida.
La implementación de algoritmos autónomos en AUV
implica un gran riesgo de perder el vehículo, por esta
razón la solución adoptada para reducir estos riesgos en
pruebas en mar abierto es el diseño, fabricación y
conexión de un vehículo remolcado en la superficie al
AUV.
En la Fig. 15 se ve una foto del AUV/ROV Aegir y
vehículo remolcado en pruebas en el Mar Menor.
Descripción conexión submarino-superficie.
Fig. 12.Esquema del control inalámbrico por router del Submarino
Aegir.
a)
Entorno submarino-Conexión con la superficie.
Unido mediante un cable submarino con
protección de Kevlar, 1000Kg de capacidad de
arrastre, compuesto por 6 cables de
alimentación y 1 cable de comunicación
Ethernet.
Características
del
cable
FALMAT
FMXCAT51806K12, 6 conductores 18AWG,
(sección del cable 1mm2), 1 cable de datos
CAT5 (4TO).
b) Comunicación de datos entre el vehículo
remolcado en superficie y el barco de apoyo o
la estación en puerto.
Descripción amplificador WiFi.
Fig. 13.Esquema de conexiones módulos entradas digitales y
analógicas del Submarino Aegir.
Procesador:
Atheros AR2313 SOC, MIPS
4KC, 180MHz.
Memoria: 16MB SDRAM, 4MB Flash.
Interfaz de Ethernet: 10/100 BASE-TX (Cat. 5,
RJ-45) Ethernet Interface.
Antena integrada: Conector.
TX Power: 20dBm, +/-1dB.
RX Sensitivity: -97dBm +/-1dB
Distancia: 5Km.
Amplitud de banda TCP/IP: 25Mbps+
Tamaño: 15,2 x 3,7 x 3,1 cm.
Peso: 0.18 Kg.
Características de la cubierta: UV plastic.
Consumo máximo: 4 Watios.
Electric Supply: 12V, 1A (12 Watios)
Pasive supply: Alimentación pasiva sobre
Ethernet (pares 4.5+; 7.8 regeneración).
Temperatura de trabajo: -20 ºC a 70 ºC.
Condiciones de humedad: 5 a 95% condensado.
Choque y vibración: ETSI300-019-1.
Descripción de la antena:
Especificaciones eléctricas:
Rango de frecuencia: 2400~2500MHz
Ganancia: 14.5±0.5dBi
VSWR 1.8: 1 máx impedancia 50Ω.
Polarización linear vertical.
HPBW / Horizontal 9°
HPBW / Vertical 11°
Front back ratio 25dB.
Alimentación de manipulación: 50w (cw).
Conector N hembra.
Resistencia al viento: 180Km/hr.
Temperatura: 40°C~+80°C
Humedad: 100%@25°C.
Protección contra DC ground: opcional.
Gama de colores: Gris-Blanco.
Gama materiales: ABS, Zinc casting.
Peso: 3Kg.
Dimensiones: H1860 x D40mm.
c)
Generación de energía desde la superficie para
aumentar la autonomía y tiempo de operación
del vehículo submarino.
d) Sistema de posicionamiento global. El vehículo
de superficie dispone de un sistema GPS, de
cálculo de trayectorias, de posicionamiento y
dirección del vehículo remolcado. Combinando
los datos de la plataforma submarina y la
profundidad generan la posición de operación,
por otro lado en caso de pérdida del vehículo se
acota la zona de búsqueda.
Fig. 15. Fotografía de la embarcación con generador y Submarino
Aegir.
TABLA I
CHARACTERISTICAS DEL GENERADOR DE
ENERGÍA
Modelo
Lanzarote
Multipolar
Alternador
Modulación
Sistema de estabilidad
invertida
3%
Distorsión
2,2kva
Potencia máxima
2,0kva
Potencia nominal
125cc
Volumen
0,45 L 10W40
Capacidad de aceite
7l
Capacidad de gasolina
6,5 horas
Autonomía 50%
65dB
Nivel de sonido (7metros
vacio)
Manual/Eléctrico
Sistema de arranque
54x29x51 cm
Dimensiones
902502
Referencia
IV. EXPERIMENTOS EN EL MAR MENOR
En noviembre de 2011, se celebró un experimento a
nivel internacional de robótica submarina oceanográfica
en laguna costera del Mar Menor, el objetivo principal
era la medida de la salinidad del agua del mar entre el
Mar Menor y el mar Mediterráneo en el canal del
Estacio, que es el flujo de agua de mar más grande de
intercambio entre ambos mares.
Este experimento internacional llamado “Underwater
Experiment Mar Menor Coastal Lagoon 2011” contó
con la participación de MBARI, CETMAR, Universidad
de Girona, Universidad Politécnica de Cataluña,
Universidad de Oporto, Universidad Carlos III y la
Universidad Politécnica de Cartagena encargada de la
recepción de las distintas instituciones.
El UPCT LVS (Laboratorio de Vehículos
Submarinos)-Isaac Peral, participó en este experimento
con el AUV/ROV Aegir unido al vehículo remolcado de
superficie como se muestra en la Fig. 15. La misión era
el registro de datos del flujo de agua de mar entre el mar
Mediterráneo y la laguna del Mar Menor en una región
seleccionada marcada por GPS, para alcanzar esta
misión el UUV Aegir fue equipado con una sonda
multiparamétrica
(conductividad
directamente
relacionada con la salinidad), temperatura y profundidad
(directamente relacionada con la presión submarina
ambiental).
Las malas condiciones del tiempo, la inexperiencia
del navío de apoyo al equipo, el no haber probado el
sistema de despliegue y recuperación del navío de apoyo
para el AUV provoco que el vehículo de la UPCT fuera
dañado seriamente el primer día del experimento.
A pesar de esto, el equipo de la UPCT trabajo duro
para restaurar el sistema que une los equipos y reparar
los daños, la reparación provisional se realizó sobre el
propulsor de inmersión de estribor, que había sido
seriamente dañado durante el despliegue en el mar, todo
este trabajo fue realizado satisfactoriamente para poner
el UUV Aegir operativo para terminar la tarea de
medida de la salinidad.
Una vez que el sistema fue reactivado, el equipo de la
UPCT vuelve al escenario del experimento, esta vez con
un navío de recuperación manejado por un equipo
entrenado del sistema de búsqueda y rescate Marítimo
de la Dirección de la Marina Mercante Española. Esta
vez con el control remoto y los modos de procedimiento
automáticos que sirvieron al UUV Aegir para cubrir la
zona designada por GPS y medir la salinidad asociada al
área explorada y la profundidad.
V. CONCLUSIONES
Se propone al UUV Aegir como una plataforma de
pruebas para desarrollar técnicas de control, generación
de trayectorias submarinas, navegación automática y
pruebas de distintos equipos multidisciplinares.
El UUV Aegir es un vehículo submarino fácilmente
adaptable a distintas misiones y tareas en el entorno
submarino, como la supervisión ambiental, la
investigación oceanográfica, el muestreo científico,
trazar un mapa de operaciones de búsqueda y rescate,
arqueología submarina y operaciones de seguridad y
vigilancia.
Este equipo submarino tiene un software abierto y la
arquitectura de hardware le permite la incorporación de
nuevos equipos y software.
VI. REFERENCIAS
[1]
Antonelli G, Chiaverini S, Sarkar N, West M. Adaptive
control of an autonomous underwater vehicle:
experimental results on ODIN. IEEE Trans Control Syst
Technol 2001;9(5).
[2]
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behavior-based scheme using reinforcement
learning for autonomous underwater vehicles.
IEEE JOURNAL OF OCEANIC ENGINEERING
30 (2005) 416-427.
[3]
García-Córdova, F., Guerrero-González, A., MarínGarcía, F.: Design and implementation of an
adaptive neuro-controller for trajectory tracking of
nonholonomic wheeled mobile robots. In Mira, J.,
Álvarez, J.R., eds.: Nature Inspired ProblemSolving Methods in Knowledge Engineering,
Lectures Notes in Computer Science. Volume
4528. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, LNCS-
4528, Part II, ISBN: 978-3-540-73054-5 (2007)
459-468.
[4]
Lorentz J, Yuh J. A survey and experimental study
of neural network AUV control. IEEE AUV’96
Monterey; 1996.
[5]
Nakamura Y, Savant S. Nonlinear tracking control
of autonomous underwater vehicles. In: Proceeding
IEEE international conference on robotics and
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[6]
Pérez-Ruzafa, A., Marcos, C. y Gilabert, J. 2005.
The Ecology of the Mar Menor coastal lagoon: a
fast-changing ecosystem under human pressure. In:
Gönenç, I.E. and J.P. Wolflin (Eds.). Coastal
lagoons. Ecosystem processes and modeling for
sustainable use and development. CRC press. Boca
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[7]
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symposium on autonomous underwater vehicle
technology (conference proceedings); 1990. p.
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[8]
Silpa-Anan C, Brinsmead T, Abdallah S, Zelinsky
A. Preliminary experiments in visual servo control
for autonomous underwater vehicle. IEEE/RSJ
international conference on intelligent robotics and
systems (IROS); 2001.
Available
from:
http://www.syseng.anu.edu. au/rsl/.
[9]
Yoerger DR, Slotine JE. Robust trajectory control
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OE-10(4).