Diaz Gomez Alexei. Diseño de la arquitectura de hardware
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Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática y Sistemas Computacionales TRABAJO DE DIPLOMA Diseño de la arquitectura de hardware de un Vehículo Submarino Autónomo Autor: Alexei Díaz Gómez Tutor: Msc. Alain Sebastián Martínez Laguardia Santa Clara 2009 "Año del 50 Aniversario del Triunfo de la Revolución”
Transcript of Diaz Gomez Alexei. Diseño de la arquitectura de hardware
Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Departamento de Automática y Sistemas Computacionales
TRABAJO DE DIPLOMA
Diseño de la arquitectura de hardware de un
Vehículo Submarino Autónomo
Autor: Alexei Díaz Gómez
Tutor: Msc. Alain Sebastián Martínez Laguardia
Santa Clara
2009
"Año del 50 Aniversario del Triunfo de la Revolución”
Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Departamento de Automática y Sistemas Computacionales
TRABAJO DE DIPLOMA
Diseño de la arquitectura de hardware de un
Vehículo Submarino Autónomo
Autor: Alexei Díaz Gómez E-mail: [email protected]
Tutor: Msc. Alain Sebastián Martínez Laguardia Profesor Auxiliar Departamento de Automática y Sistemas Computacionales Facultad de Ingeniería Eléctrica E-mail: [email protected]
Consultante: Ing. Rubén Eduardo Carlés Barrero E-mail: [email protected]
Santa Clara
2009
"Año del 50 Aniversario del Triunfo de la Revolución"
Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad
Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la
especialidad de Ingeniería en Automática, autorizando a que el mismo sea
utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma
parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni
publicados sin autorización de la Universidad.
Firma del Autor
Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según
acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos
que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.
Firma del Autor Firma del Jefe de
Departamento donde se
defiende el trabajo
Firma del Responsable de
Información Científico-Técnica
i
PENSAMIENTO
La inteligencia humana tiene como leyes la investigación y el análisis
José Martí
ii
DEDICATORIA
Dedico mi tesis especialmente a la mejor madre del mundo, mi mamá, que ha sido
siempre el impulso de todas mis decisiones y ha puesto todo su empeño en
guiarme por el camino del bien y apoyarme en todos los momentos de mi vida.
A mi novia que ha estado a mi lado en estos últimos años dándome su amor y
dedicación en todos los momentos.
A la memoria de mi padre que siempre he tratado que se sienta orgulloso de mi.
A mis abuelos que siempre me han dado su amor y me han apoyo para que siga
adelante.
A mi hermano y a mis sobrinos que son también motivo de mi existencia.
A los profesores que a lo largo de mi carrera han puesto todo su empeño y
dedicación brindándome lo mejor de sus conocimientos.
iii
AGRADECIMIENTOS
Me satisface dejar constancia de mis más profundos agradecimientos a todos los
que con su apoyo han contribuido a mi formación y han dedicado una parte de su
tiempo para contribuir en la realización de mi vida profesional y con la de este
trabajo.
Quiero hacer nuevamente un agradecimiento especial a mi mamá que me ha
brindado siempre su apoyo incondicional y desinteresado en todo momento y ha
puesto todo su empeño para que siempre salga adelante en mis estudios y en mi
vida.
A mis primos de Santa Clara Cosme, Zule y Vladi que me han apoyado durante
estos años para que me pueda realizar como profesional.
A mi Tia Maria y Nury que siempre han estado sobre mi dándome su apoyo en
todo momento.
A mi suegra que siempre esta dispuesta a la darme la mano a la hora que me
haga falta con la mayor disposición del mundo.
A mis amigos de todos los tiempos Ariel y Oscar que a pesar de los años y la
distancia, somos amigos de corazón.
A mis amigos Yulien, Roly, Carrete, Jorge, Dayton, el Ciencia y demás que han
estado a mi lado en los buenos y malos momentos y que también me han dado su
apoyo para mi realización profesional.
A todos lo profesores que de una forma u otra han puesto todo su esfuerzo para
lograr en mi un profesional bien preparado.
iv
TAREA TÉCNICA
Revisión de la bibliografía disponible para determinar que se ha hecho al
respecto en el mundo y analizar otras arquitecturas planteadas por algunos
fabricantes e investigadores.
Selección de la unidad de cómputo en función de las prestaciones y
estrategia de control seleccionada.
Selección de los sensores a emplear.
Diseño de la arquitectura que muestre mayores posibilidades para los
usuarios de la aplicación.
Análisis de los sensores principales de la arquitectura así como del sistema
de comunicaciones de bajo nivel.
Firma del Autor Firma del Tutor
v
RESUMEN
En la actualidad, las inspecciones submarinas son una cuestión de primer orden
en múltiples ramas del conocimiento. La utilización de un dispositivo que sea
capaz de realizar estas tareas evitando los riesgos y altos costos que puedan
implicar las mismas, es un reto que han asumido muchos investigadores en el
mundo.
La Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, a solicitud del CIDNAV
(Centro de Investigaciones Navales), se trazó como meta desarrollar la
arquitectura de hardware para un Vehículo Submarino Autónomo Hidrográfico
(VSAH), con el objetivo de realizar inspecciones marinas y de supervisión.
El presente trabajo expone los resultados alcanzados en la realización del mismo,
como son: el desarrollo de la arquitectura de hardware capaz de integrar un
arreglo sensorial amplio a un sistema de cómputo para obtener resultados
confiables, con el menor costo computacional y complejidad posible, respetando
aspectos como modularidad, portabilidad, escalabilidad y reutilización, así como la
selección de los sensores que forman parte de la misma y el análisis a tener en
cuenta a la hora de la selección. Para ello, se realizó una búsqueda sobre que se
esta haciendo al respecto en el mundo, lo que permitió hacer una comparación
con prototipos similares a el que se ocupa.
vi
TABLA DE CONTENIDOS
PENSAMIENTO........................................................................................................i
DEDICATORIA......................................................................................................... ii
AGRADECIMIENTOS ............................................................................................. iii
TAREA TÉCNICA ................................................................................................... iv
RESUMEN ...............................................................................................................v
INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1
Organización del inforrme.................................................................................... 3
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO ........................................................................ 4
1.1 Antecedentes y motivaciones personales................................................. 5
1.2 Definición de Vehículo Submarino Autónomo ......................................... 6
1.3 Aplicaciones de los AUV........................................................................... 6
1.4 Ventajas y desventajas de los AUV .......................................................... 8
1.4.1 Ventajas de los AUV.......................................................................... 8
1.4.2 Ventajas de los AUV con respecto a los ROV ................................... 9
1.5 Innovación .............................................................................................. 10
1.6 Trabajos relacionados............................................................................. 11
1.6.1 Vehículo Submarino Autónomo SAUCISSE .................................... 11
1.6.2 Vehículo Submarino Autónomo STARFISH .................................... 12
1.6.3 Comparación entre las arquitecturas expuestas.............................. 13
CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE HARDWARE ............................................. 15
2.1 Arquitectura general de hardware........................................................... 15
2.1.1 Necesidades que debe cumplir el hardware del vehículo................ 15
vii
2.1.2 Estructura general ........................................................................... 16
2.2 Sistema de navegación........................................................................... 17
2.2.1 Sistema de posicionamiento............................................................ 17
2.2.2 Sistema de navegación inercial ....................................................... 18
2.2.3 Unidad de movimiento inercial......................................................... 19
2.2.4 Sistema de posicionamiento global ................................................. 19
2.2.5 Selección de equipamiento.............................................................. 20
2.3 Sistema de detección de obstáculos....................................................... 21
2.3.1 Forward Looking Sonar (color twinscope) ....................................... 21
2.4 Sistema de estado .................................................................................. 22
2.5 Sistema de cómputo ............................................................................... 23
2.6 Sistema de comunicación ....................................................................... 24
2.7 Arquitectura de hardware........................................................................ 25
CAPÍTULO 3. OPERACIÓN DE SISTEMA......................................................... 27
3.1 Descripción de la arquitectura de hardware............................................ 27
3.2 Características de la MTi-G .................................................................... 28
3.2.1 Calibración....................................................................................... 28
3.2.2 Limitaciones..................................................................................... 28
3.2.2.1 Limitaciones IMU............................................................................ 29
3.2.2.2 Limitaciones GPS........................................................................... 29
3.2.3 Tiempo requerido para obtener los datos ........................................ 30
3.2.4 Método de muestreo........................................................................ 30
3.2.5 Cadena de salida de la IMU ............................................................ 31
3.2.6 Cadena de salida del GPS .............................................................. 32
viii
3.3 Sistema de navegación integrado........................................................... 33
3.4 Tiempo de adquisición de datos ............................................................. 35
3.5 Análisis económico ................................................................................. 37
3.6 Conclusiones del capítulo ....................................................................... 39
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................ 41
Conclusiones ..................................................................................................... 41
Recomendaciones............................................................................................. 41
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS...................................................................... 43
ANEXOS ............................................................................................................... 46
INTRODUCCIÓN
1
INTRODUCCIÓN
Desde el principio de los tiempos, el hombre ha utilizado su ingenio para crear vida
artificial. Se ha empeñado en dar vida a seres artificiales que le acompañen en su
morada, seres que realicen sus tareas repetitivas, tareas pesadas o difíciles de
realizar por un ser humano, con el fin de aumentar su eficiencia y disminuir el
costo y los peligros que implica la realización de las mismas. Desde la Revolución
Industrial, hasta la invención de los automóviles, barcos y aviones, la visión del
hombre ha sido ahorrar tiempo y esfuerzo.
En la actualidad, donde la tecnología es cada vez más avanzada, la misión
tecnológica se ha enfocado generalmente en el perfeccionamiento y
automatización de procesos donde se ven inmiscuidos muchos operarios o donde
los factores de riesgo para la vida humana son muy altos.
La ingeniería de control ha tenido la vanguardia en estos adelantos, ya que es la
encargada de encontrar las soluciones a este tipo de problemas utilizando
tecnología de punta y logrando, en ciertos casos, la creación de sistemas
autónomos capaces de hacer operaciones complicadas, tan satisfactoriamente
como el hombre.
El calificativo “autónomo” hace referencia a la capacidad de percibir, modelar,
planificar y actuar para alcanzar los objetivos sin la intervención, o con una
intervención muy pequeña, de supervisores humanos. Esto delimita la frontera
entre los vehículos autónomos y los vehículos o máquinas teleoperadas, donde un
operador humano realiza de forma remota las tareas anteriores (Martínez, 2005).
Los vehículos autónomos se caracterizan por su capacidad de desplazarse de
forma autónoma en un entorno desconocido o conocido sólo parcialmente. Sus
aplicaciones cubren una gran variedad de campos, entre los cuales se incluyen
trabajos subterráneos (minería, construcción de túneles, etc.), tareas submarinas
INTRODUCCIÓN
2
(inspección de oleoductos, mediciones, misiones de búsqueda y rescate, etc.),
misiones espaciales y exploración planetaria (recogida de muestras,
mantenimiento de estaciones orbitales, etc.), vigilancia e intervención de seguridad
(desactivación de explosivos, operación en zonas radioactivas, etc.), aplicaciones
militares, y otros muchos. En todas estas aplicaciones la justificación más
importante para la aplicación de los mismos es la dificultad o imposibilidad de
intervención humana, bien sea directa o teleoperada (Desa et al., 2006).
Los vehículos subacuáticos han tenido un gran avance en los últimos años como
una herramienta para la exploración submarina y la navegación. Desde el punto
de vista del control, la naturaleza no lineal del robot subacuático, junto con las
incertidumbres en los coeficientes hidrodinámicos, hacen que los vehículos
submarinos sean un desafío de control. Son varias las líneas de investigación
abiertas en este campo, donde se han construido diversos tipos de robots (Aranda
et al., 2005)
El mundo moderno cuenta ya con cierto desarrollo en cuestiones relacionadas con
estas tecnologías, y posee avances notables en el campo del hardware y el
software, que permiten que los vehículos submarinos autónomos cumplan
numerosas funciones en la vida diaria, sin embargo, estas tecnologías resultan
sumamente caras para nuestro país. Los científicos e investigadores se ven ante
la necesidad de encontrar una solución capaz de suplir esta carencia y que sea
económicamente factible.
En este proyecto se pretende realizar el diseño de la arquitectura de hardware
para un Vehículo Submarino Autónomo (AUV Autonomous Underwater Vehicles
nomenclatura internacional adoptada), que pueda ser empleado para el
reconocimiento subacuático, con el fin de realizar estudios marinos. Para ello se
cuenta con una infraestructura en la cual se montará la arquitectura y el control del
vehículo.
INTRODUCCIÓN
3
El objetivo general de este trabajo es desarrollar una propuesta de arquitectura de
hardware para un AUV, así como la selección y el análisis de los sensores a
utilizar. Una vez concluido este proyecto la arquitectura deberá ser lo
suficientemente flexible como para aceptar pequeñas modificaciones en función
de la aplicación.
Organización del informe
El trabajo se estructura en tres capítulos que abordaran los siguientes temas:
Capítulo 1: En este capítulo se fundamenta el marco teórico de la tesis, para ello
se realizó una breve reseña histórica sobre la evolución de los AUV, su definición
así como la amplia gama de aplicaciones que estos tienen en la sociedad. Se
trataron además sus ventajas y desventajas, a la vez que se abordaron trabajos
relacionados con el tema, terminado con una breve comparación entre ellos.
Capitulo 2: Se define la arquitectura general del hardware basada en las
necesidades que debe cumplir este vehículo, conjuntamente se seleccionan los
sensores y se realiza el criterio de selección de cada uno de ellos, finalizando con
la arquitectura propuesta.
Capitulo 3: Comienza planteando un descripción de la arquitectura de hardware
así como de los elementos que componen la misma, se exponen la características
de los principales sensores, además se propone un método para mejorar las
deficiencias entre ellos, concluyendo con un análisis sobre los tiempos de
adquisición de datos y el estado económico del proyecto.
CAPÍTULO 1 MARCO TEORICO
4
CAPITULO 1 MARCO TEÓRICO
Los océanos suponen un 70 por ciento de la superficie del planeta, en los que se
encuentran gran parte de las reservas ecológicas del mundo, ecosistemas y una
gran diversidad animal. Además es una gran fuente de fenómenos desconocidos
por el hombre. Desde la antigüedad los científicos han tenido el afán de conocer y
revelar cada uno de estos misterios con diversos fines, por lo que han tenido que
enfrentar grandes desafíos para lograrlo.
En la actualidad, el desarrollo alcanzado y las nuevas tecnologías, han permitido
la utilización de dispositivos capaces de realizar diversas tareas, evitando el riesgo
y el alto costo que puede implicar la realización de las mismas. Desde los últimos
años, los AUV se han convertido en una herramienta novedosa para los
investigadores, ya que estos tienen aplicaciones en diferentes esferas tanto
investigativas como civiles y militares que van desde los buques de investigación
científica a los torpedos inteligentes. Además, las aplicaciones de los AUV en el
medio ambiente son igualmente fascinantes y complejas (Desa et al., 2006).
Aunque de cierta forma el concepto de AUV parece ser algo novedoso, no es
totalmente nuevo. El desarrollo de estos vehículos ha sido una tarea científico
técnica desarrollada por múltiples universidades, centros de investigación y
producción de todo el mundo en los últimos años (Blidberg, 2001).
En este trabajo se analizan los AUV, sus características fundamentales, ventajas,
desventajas, aplicaciones principales y se realiza una revisión bibliográfica sobre
el estado de las investigaciones de esta temática a nivel mundial.
CAPÍTULO 1 MARCO TEORICO
5
1.1 Antecedentes y motivaciones personales.
Haciendo un recuento histórico podemos resumir que el hombre ha empleado los
sumergibles para llevar a cabo una serie de tareas de diferentes índoles, el
desarrollo de estos submarinos trajo consigo la aparición de los torpedos que son
realmente los primeros Vehículos Submarinos no Tripulados (UUV por sus siglas
en ingles). Se puede decir que el desarrollo de los AUV comenzó en la década de
los 60 con vehículos como el Rebikoff Sea Spook construido por la Universidad de
Washington. A éste le siguieron otros como el Skat del Shirshov Institue of
Oceanology (Rusia), o el OSR-V japonés. Hoy en día hay una gran diversidad de
robots submarinos. La función de estos primeros vehículos sumergibles, era
meramente una herramienta para exploraciones subacuáticas, la evolución de los
primeros sumergibles vendría de la mano del avance de la tecnología y del devenir
de los incesantes acontecimientos bélicos que convertirían esta ingeniosa
invención en un arma bélica (Fossen, 1995, Jaffe, 2001, Nakamura and Savant,
2002).
Dos eventos durante el verano de 1985 provocaron el incremento por el interés de
los vehículos submarinos. El primero, un avión de la Air Indian se estrelló en el
Océano Atlántico cerca de las costas de Irlanda y un vehículo submarino guiado
remotamente, normalmente utilizado para el tendido de cable, fue empleado para
encontrar y recobrar la caja negra del avión. El segundo fue el descubrimiento del
casco del Titanic en el fondo del océano donde había permanecido después del
choque con un iceberg en 1912, cuatro kilómetros debajo de la superficie, un
vehículo submarino fue utilizado para encontrar, explorar y filmar el hallazgo
(Calvo, 2004)
Este proyecto es realizado por el grupo de automatización robótica y percepción
(GARP) de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas a solicitud del
CAPÍTULO 1 MARCO TEORICO
6
CIDNAV y tiene como fin plantear una propuesta de arquitectura de hardware,
para un AUV. El mismo debe ser capaz de navegar de forma autónoma en las
misiones que le son encomendadas, tomar la información necesaria y transmitirla
a tierra. La idea es conseguir información de forma rápida, mediante la utilización
de los AUV, con un bajo nivel de riesgo personal. Este proyecto tiene una duración
de un año aproximadamente y posee varios puntos de contacto con la ingeniería
automática.
La realización de este trabajo ha sido de gran motivación para mí, porque me ha
permitido poner en práctica los conocimientos adquiridos durante mis estudios y
me ha generado un gran interés en el desarrollo de este tipo de tecnologías, que
son tan útiles y novedosas.
1.2 Definición de Vehículo Submarino Autónomo.
Los Vehículos Submarinos Autónomos son vehículos motorizados que se
trasladan en un medio acuático y realizan diferentes misiones sin llevar a bordo
operadores humanos. Su capacidad de navegación autónoma le permite ser
programados con anticipación. Además pueden ser dirigidos por controladores u
operadores ubicados en estaciones para su monitoreo. Los AUV forman parte de
un gran grupo de robot submarinos conocidos como Vehículos Submarinos no
Tripulados (UUV) en los que se incluyen también los Vehículos Submarinos
Operados Remotamente (ROV) (Blidberg, 2001, Batlle et al., 2004, Jaffe, 2001).
1.3 Aplicaciones de los AUV.
Hay que considerar que la robótica submarina es un campo de gran interés por el
potencial de aplicaciones que tiene (Aranda et al., 2005).
CAPÍTULO 1 MARCO TEORICO
7
Con el desarrollo alcanzado hasta nuestros días, los AUV se han convertido en
una herramienta poderosa para un sin números de aplicaciones en diferentes
esferas, investigativas, comerciales y militares.
La siguiente lista (Batlle et al., 2004) muestra un conjunto de aplicaciones en
distintos campos y que podemos agrupar en las siguientes esferas.
Ciencia Inspección del fondo marino.
Respuesta rápida a sucesos oceánicos o geotérmicos.
Estudios geológicos.
Estudios de la biología marina.
Fotografía submarina y video grabación.
Entorno Monitorización a largo plazo de la vegetación y animales subacuáticos.
Recuperación del ecosistema marino.
Investigaciones ambientales e hidrográficas.
Industria Inspección de cascos de buques y tanques.
Comunicaciones submarinas, instalación e inspección de cables.
Inspección en piscinas de refrigeración en plantas nucleares.
Construcción y mantenimiento de estructuras submarinas.
Vigilancia subacuática de los bancos de peces.
Inspección de estructuras submarinas (oleoductos, diques, puertos).
Inspección y evaluación de los recursos oceánicos.
Mapeo con precisión del fondo oceánico para proyectos de cable y tubería
submarina.
CAPÍTULO 1 MARCO TEORICO
8
Civil Rescates.
Paseos de entretenimiento.
Arqueología subacuática.
Monitoreo de huracanes.
Militar
Poner y quitar minas marinas a poca profundidad.
Misiones clandestinas.
Sensores submarinos no embarcados.
Evaluaciones de Sonar Naval.
1.4 Ventajas y desventajas de los AUV
En los AUV están presentes una serie ventajas y desventajas que deben ser
tratadas a la hora de hacer un análisis de los mismos. En esta sesión se hará
referencia a algunas de estas ventajas, además de hacer una breve comparación
con los ROV, con el objetivo de demostrar los beneficios del uso de los AUV,
pese a que poseen la dificultad de que un fallo en su complejo mecanismo puede
ocasionar la pérdida de la estructura completa.
1.4.1 Ventajas de los AUV
Hoy día los AUV brindan nuevas ventajas para la sociedad al convertirse en una
de las herramientas más potentes para múltiples aplicaciones submarinas. La
independencia que poseen con respecto al hombre les permite disminuir el riesgo
de error humano y la perdida de vida del mismo en las misiones que le son
encomendadas.
CAPÍTULO 1 MARCO TEORICO
9
Eliminando los sistemas de control e instrumentos relacionados con la persona a
bordo, asientos, sistemas de oxígeno y presurización, el tamaño y por tanto el
peso de los vehículos estaría establecido únicamente por los equipos necesarios
para la misión, logrando submarinos más pequeños y con menor demanda de
potencia. Por ejemplo los gliders o planeadores de IMEDEA tienen un peso y
tamaño reducido, pesan alrededor de 50 Kg. en el aire y tiene un peso aparente
de 200 g en el agua, se trasladan a una velocidad entre 20 y 40 cm. por segundos
en horizontal y entre 10 y 20 cm. por segundo en vertical y miden unos 2 metros
(Tintoré, 2006)
Un submarino más pequeño y de menor peso puede realizar maniobras
subacuáticas con una mayor precisión. Podrá también penetrar en aguas poco
profundas con menos probabilidad de colisionar. Otro elemento a considerar es
que, no precisa de transporte especializado ya que es muy fácil de trasladar de un
lugar a otro.
1.4.2 Ventajas de los AUV con respecto a los ROV
Los ROV, son robots manejados desde plataformas o embarcaciones, unidos a
ellas mediante un cable, un pesado "cordón umbilical". En la actualidad, los ROV
son utilizados en diversos sectores, investigativos, sociales, económicos y demás
(Ray et al., 2003).
Hoy dicha tecnología tiene fundamentalmente dos desventajas: El deficitario
control del robot debido al propio cable que lo une a la embarcación y el costo que
este tipo de operaciones lleva aparejado. Fletar una de estas embarcaciones con
su tripulación y el equipamiento logístico para el manejo del vehículo puede
alcanzar la cifra de 10.000 euros/día. Además, posee baja velocidad de
inspección, debido al difícil control de sus movimientos por el cable que lo une a la
CAPÍTULO 1 MARCO TEORICO
10
superficie e incapacidad de los operarios para detectar los objetos. Estas
características van empeorando cuando las inspecciones deben ser hechas a
mayor profundidad (Calvo, 2004).
En contraste con esta realidad, los AUV permiten una navegación más suave y
cercana al objetivo de estudio, incrementan la velocidad de inspección debido
fundamentalmente a que no necesitan un cable que los una a embarcación alguna
en la superficie. De este modo, al consumir menor tiempo y al requerir menor
apoyo logístico de superficie, las misiones son mucho más precisas y económicas
(Acosta, 2005).
1.5 Innovación
A medida que la ciencia evoluciona, aquello que antes solo era posible mediante
técnicas y presupuestos militares, hoy es factible con materiales y tecnologías
disponibles en el mercado a precios altamente competitivos.
Aunque, en la práctica, en nuestro país no contamos con ningún AUV, el hecho es
que a estas alturas del desarrollo tecnológico, el implementar un sistema de
guiado no tripulado no supone una innovación en si.
La documentación existente sobre este tema es abundante. Sin embargo, es
evidente que en el desarrollo de los AUV queda mucho por trabajar, sobre todo en
los siguientes aspectos:
Creación de una metodología para su diseño.
Disminución de trabajo de las estaciones de supervisión y control.
Diseñar un sistema que tolere fallas.
CAPÍTULO 1 MARCO TEORICO
11
Diseñar sistemas empotrados que permitan mayor sencillez en la gestión
de la misión.
1.6 Trabajos relacionados
Entre los objetivos que nos ocupan, esta el análisis de otras arquitecturas
planteadas por algunos fabricantes e investigadores. En el siguiente epígrafe
abordaremos algunos de los proyectos que se han desarrollado en el mundo
acerca de este tipo de vehículos.
1.6.1 Vehículo Submarino Autónomo SAUCISSE
Este proyecto fue desarrollado por un grupo de estudiantes en conjunto con sus
profesores de la escuela de ingeniería francesa ENSIETA, con el fin de lograr un
prototipo de AUV capaz de situarse en una piscina y localizar diversos objetos. En
este robot se ponen a prueba una serie de tecnologías, una arquitectura
mecánicas basadas en un tubo, cuatro propulsores y una arquitectura electrónica
reducida a componentes ya existentes (Bazeille et al., 2007).
Este robot se utiliza como base para muchos temas de investigación, en particular,
en la localización de objetos de forma dinámica en una piscina y el reconocimiento
de objetos en un medio subacuático.
Estructura Electrónica El AUV tiene como propósito poder localizar objetos de diferentes formas y colores
dentro de una piscina por lo que esta equipado por los siguientes sensores:
CAPÍTULO 1 MARCO TEORICO
12
Barómetro (hace posible estimar la profundidad)
Sonar y Unidad de Control (permite localizar el robot por una comparación
con el borde de la piscina)
Dos Webcam (una dirigida hacia abajo y la otra hacia delante )
Todos estos varios sensores, están conectados en conjunto a una Motherboard, la
cual debe ser lo suficientemente poderosa para realizar el procesamiento de
imágenes y la localización. Los propulsores son controlados por un modulo de
Labjack conectado USB a la Motherboard.
Fig.1.1 Arquitectura Electrónica del AUV SAUCISSE (Bazeille et al., 2007).
1.6.2 Vehículo Submarino Autónomo STARFISH
En el Laboratorio de Investigación Acústica (ARL) de la Universidad Nacional de
Singapur (NUS), se desarrolló un AUV llamado “STARFISH”. Este vehículo es un
pequeño torpedo, que posee en su forma básica una longitud de 1.7 m pero la
longitud final puede variar, y su diámetro alcanza los 0.2 m. En este proyecto se
plantea una arquitectura modular abierta para el AUV, se trata de una arquitectura
de hardware multisección que ha sido diseñada para lograr un interfaz común
electro-mecánico entre las cuatro secciones que posee, de este modo
CAPÍTULO 1 MARCO TEORICO
13
proporcionando una capacidad plug and play entre ellas. Esta arquitectura se ha
puesto en práctica utilizando una combinación de micro-controladores y una sola
motherboard con comunicación Ethernet.
El AUV utiliza cuatro aletas de control conducidas por los servomotores para la
orientación del ladeo, cabeceo, guiñada y el control de la profundidad. Para la
detección de obstáculos se emplea un Forwared Looking Sonar (FLS). El AUV
también lleva una serie de sensores de posicionamiento que incluyen un altímetro
y un sensor de profundidad. Con el fin de la navegación, presenta una unidad de
movimiento inercial (IMU), una brújula, y un receptor GPS (Sangekar et al., 2008).
En este proyecto se describe una arquitectura flexible que brinda la posibilidad de
seleccionar el equipamiento necesario para las misiones. Para ello se divide la
arquitectura en 4 secciones independientes pero con buena integración entre
ellas.
1.6.3 Comparación entre las arquitecturas expuestas
Sobre el tema de los AUV, existen hoy día un sin número de investigaciones, que
van desde los casos mas simples dedicados a una sola aplicación hasta los mas
complejo de arquitecturas flexibles, para tener una idea de que se está haciendo
actualmente en el mundo se sugiere visitar la pagina web Autonomous Underwater
Vehicle disponible en http://www.transit-port.net/Lists/AUVs.Org.html. En este caso
trataremos una breve comparación entre dos arquitecturas que cumplen con estas
características.
La primera es una arquitectura simple que debe ser capaz de controlar la
navegación del vehículo dentro de una piscina y localizar un conjunto de objetos
en la misma. Este prototipo brinda un sistema sencillo, con facilidad de
CAPÍTULO 1 MARCO TEORICO
14
mantenimiento, menor probabilidad de rotura, esta diseñado con componentes
fáciles de adquirir en le mercado a costos moderados y para esta aplicación ofrece
la fiabilidad y la robustez requerida. Pero no podrá realizar alguna otra misión que
implique un cambio de configuración. Sin embargo la segunda arquitectura esta
estructurada de forma configurable logrando una integrar sus componentes. Esto
posibilita ampliar su gana de aplicaciones, pero trae consigo la complejidad de
sistema, aumentando los costos y vulnerabilidad del equipo.
CAPÍTULO 2 ARQUITECTURA DE HARDWARE
15
CAPITULO 2 ARQUITECTURA DE HARDWARE
Para la selección del equipamiento necesario empleado en la arquitectura de
hardware del AUV, se plantea una arquitectura general teniendo en cuenta las
necesidades a cumplir por este prototipo, además de se analizaron las propuestas
de varios desarrolladores a nivel mundial y se seleccionó cada elemento teniendo
en cuenta la fiabilidad y el costo de los mismo. Además se tratan algunos
conceptos importantes a tener en cuenta a la hora de la selección de los sensores
y se concluye planteando la arquitectura del vehículo.
2.1 Arquitectura general de hardware
Para la realización de este proyecto, fue necesario primeramente plantear una
estructura general de hardware, analizando las necesidades y tareas a cumplir
por este prototipo.
2.1.1 Necesidades que debe cumplir el hardware del vehículo
Este prototipo debe ser capaz de realizar una serie de misiones de forma
autónoma, bajo la supervisión del hombre. Además dichas misiones podrán ser
reprogramadas sobre la marcha. Para ello el vehículo debe ser capaz de:
Detectar los cambios en su trayectoria provocados por perturbaciones
externas al sistema y corregir las mismas.
Detectar los objetos u obstáculos que aparezcan en su trayectoria definida
para procesar dicha información de acuerdo al propósito deseado.
CAPÍTULO 2 ARQUITECTURA DE HARDWARE
16
Entregar la posición en la cual se encuentra con la mayor precisión posible,
teniendo en cuenta la profundidad y la altura sobre el nivel del fondo
oceánico.
Procesar en tiempo real los datos adquiridos durante las misiones para
lograr un mando y control autónomo
Lograr la comunicación con la estación de supervisión y control.
2.1.2 Estructura general
Para lograr una estructura general se dividieron las necesidades y tareas de este
prototipo en sistemas con aplicaciones específicas. Estos sistemas deben
interactuar entre si logrando un vehículo con autonomía y desempeño
satisfactorio.
Fig.2.1 Arquitectura General de Hardware
CAPÍTULO 2 ARQUITECTURA DE HARDWARE
17
Sistemas de la estructura general.
Sistema de navegación.
Sistema de detección de obstáculos.
Sistema de estado.
Sistema de cómputo.
Sistema de comunicación.
2.2 Sistema de navegación.
El sistema de navegación brinda un mapa digitalizado y un indicador permanente
de la situación del vehículo(Marco and Healey, 2000).
2.2.1 Sistema de posicionamiento.
El primer elemento, la fuente de la navegación fiable, esta dada en lograr una
estimación precisa del posicionamiento, lo que es uno de los factores más
complejos. ¿Cómo se ha abordado esta necesidad en los vehículos autónomos
actualmente empleados?
En la categoría de estimación explícita de posición se consideran todos aquellos
sistemas capaces de estimar la posición del vehículo sin que ello exija una
interpretación del entorno. Dentro de los sistemas de estimación explícita pueden
distinguirse dos grupos: estimación basada en medidas internas, y estimación
basada en estaciones de transmisión. Los primeros trabajan exclusivamente con
sensores integrados en el vehículo como codificadores, giróscopos, brújulas,
acelerómetros, tacómetros, etc., y sin ningún tipo de información exterior. Los
segundos, por el contrario, están configurados en base a dos unidades bien
CAPÍTULO 2 ARQUITECTURA DE HARDWARE
18
diferenciadas. Por un lado, la unidad montada sobre el vehículo y, por otro, la
unidad o unidades externas que necesitan ser emplazadas en posiciones
conocidas del entorno. Generalmente, la unidad montada sobre el vehículo actúa
como sensor receptor, mientras que las externas actúan como emisores o señales
de referencias.
2.2.2 Sistemas de navegación inercial.
Los Sistemas de Navegación Inercial (INS) se basan en el principio de inercia y en
la relación existente entre las aceleraciones y la posición. La primera integración
de las aceleraciones proporciona la velocidad y la segunda la posición. Se usan
acelerómetros y giroscopios para medir los cambios de velocidad y dirección.
Conociendo la posición inicial de partida, se puede determinar la posición relativa
(Farrell, 1998).
Los INS presentan la ventaja de que son independientes del exterior; son
autocontenidos, no se pueden interferir y por eso se han usado para el guiado de
misiles y torpedos, así como de referencia auxiliar para misiles, buques y aviones
de guerra. El principal inconveniente es que el error es acumulativo por lo que las
prestaciones del sistema empeoran a medida que pasa el tiempo.
A diferencia de los sistemas odométricos (Sleeswyk, 1981) que son empleados
principalmente en vehículos terrestres, los sistemas de navegación inercial no se
ven afectados por los problemas derivados de ondulaciones e irregularidades del
terreno. Esto hace que, en la práctica, sean mucho más fiables y precisos que los
sistemas basados en odometría, aunque como contrapartida, son más frágiles y
caros que estos.
CAPÍTULO 2 ARQUITECTURA DE HARDWARE
19
2.2.3 Unidad de movimiento inercial.
La unidad de movimiento inercial es el sensor principal para el sistema de
navegación del vehículo submarino autónomo. Compuesta por acelerómetros y
giróscopos, que estiman la posición y orientación del vehículo empleando medidas
de las aceleraciones y ángulos de orientación. Los acelerómetros están basados
en sistemas MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) (Semiconductor, 2008).
La precisión del acelerómetro resulta crítica, ya que, debido a la doble integración
de las aceleraciones (de estas integraciones se obtiene velocidad y posición),
incluso pequeños errores cometidos por éste repercuten notablemente en la
posición estimada. Nótese que en numerosos robots móviles las aceleraciones
son pequeñas con lo que la relación señal/ruido es también pequeña lo que
complica la estimación.
2.2.4 Sistema de posicionamiento global.
El sistema de posicionamiento global (GPS por sus siglas en ingles) es un sistema
capaz de brindar información precisa sobre el estado de un objeto, dada en latitud,
longitud y altura. El sistema está compuesto básicamente por satélites que emiten
señales utilizadas por los receptores GPS para calcular Ia posición del receptor.
Cada satélite envía hacia Ia Tierra una onda de radio que transporta secuencias
de números llamados códigos, el C/A (Coarse /Acquisition) y el P (Precise). El
código C/A es accesible a todos los usuarios y se modula sobre Ia portadora L1.
En cambio el código P, se genera en forma similar y modula sobre las portadoras
L1 y L2. Además de estos dos códigos el satélite envía un mensaje con:
información del sistema, almanaque, estado de los satélites, etc (Forssell, 1991,
Getting, 1993, Kaplan, 1996).
CAPÍTULO 2 ARQUITECTURA DE HARDWARE
20
Cada satélite tiene un único código P y CA, de manera que cada receptor puede
tener Ia diferencia entre señales enviadas por diferentes satélites. Por tanto, los
receptores son capaces de identificar el origen de las señales recibidas. El código
P se repite una vez cada siete días, en cambio el código CA se repite en pulsos de
microsegundos. El código P con su valor de modulación es el que proporciona un
mayor grado de precisión a los receptores (<1 metro), siendo un buen por ciento
de los receptores incapaces de entenderlo o de utilizarlo, los llamados de simple
banda.
A partir de estos códigos se determinan las distancias a los satélites y se puede
calcular la posición del receptor mediante triangulación; este método propio del
sistema GPS.
2.2.5 Selección del equipamiento.
Para la navegación y la realización de las maniobras que se desea que realice
este equipo, es indispensable el uso de una IMU, este tipo de sensor es usado con
mucha frecuencia en otros proyectos similares (Bazeille et al., 2007, Ray et al.,
2003) .
La IMU es la encargada de estimar, la posición y orientación del vehículo,
detectando las variaciones en las magnitudes de los giros que realiza el submarino
y entregando las mediciones para efectuar las correcciones necesarias por el
sistema de control, logrando mantener la trayectoria deseada.
Durante la navegación en la superficie se emplea un GPS, mediante un mástil
acoplado al vehículo, que posee una antena a través de la cual el GPS puede
corregir la posición del AUV y obtener el grado de exactitud de la navegación
(Sangekar et al., 2008).
CAPÍTULO 2 ARQUITECTURA DE HARDWARE
21
Con el fin de cumplir con estas necesidades se seleccionó la IMU módelo MTi-G la
cual tiene incluido el GPS.
MTi-G
Esta unidad de movimiento inercial fue fabricada por Xsens Technologies B.V.
cuyo modelo es MTi-G. Como se había planteado anteriormente, es el sensor
principal del sistema de navegación. Posee un sistema de referencia de actitud y
rumbo (AHRS). Este sensor es una combinación de IMU, GPS y barómetro, el cual
contiene acelerómetros, giroscopios, magnetómetros en 3D, un receptor integrado
GPS, un sensor de presión estática y un sensor de temperatura. Es una excelente
unidad de medición para la estabilización y el control de vehículos, incluso durante
situaciones de grandes aceleraciones.
2.3 Sistema de detección de obstáculos.
Para lograr que el AUV detecte su objetivo o evitar que colisione con algún
obstáculo que se encuentre en una trayectoria desconocida, tales como boyas,
barcos o riscos, se utiliza un Forward Looking Sonar (FLS) (Altshuler et al., 2001,
Sangekar et al., 2008).
2.3.1 Forward Looking Sonar (Color Twinscope).
El Forward Looking Sonar usa una tecnología acústica de arreglo de fase,
conocida también como tecnología ultrasónica de arreglo de fase. Su capacidad
ha sido utilizada tanto en la industria bélica como en la medicina durante muchos
años, ya que esta tecnología muestra imágenes muy definidas.
CAPÍTULO 2 ARQUITECTURA DE HARDWARE
22
El arreglo de fase esta compuesto por un grupo de elementos piezoeléctricos de
cerámica. Cada elemento puede enviar y recibir pulsos acústicos. Cuando todos
los elementos en le arreglo están enviando o recibiendo energía acústica al mismo
tiempo, todo el conjunto se comporta como un único elemento de mayor tamaño
con una diferencia importante: la capacidad de el arreglo concentrar energia
acústica en diferentes direcciones, depende de los deferentes ajustes de fase de
la señal aplicada o recibida por cada elemento. Dependiendo en le arreglo de
fase de la señal, el rayo acústico puede estar dirigido en casi un número ilimitado
de direcciones.
Durante la operación se convierte una pequeña cantidad de corriente eléctrica de
la batería en pulsos de sonido ultrasónico, que son alimentados al arreglo de fase
del transductor. Estos pulsos acústicos viajan desde le transductor en un patrón en
forma de cono, llamado el ángulo de cono. Cuando el pulso de sonido intercepta
un objeto bajo el agua, este es reflejado hacia atrás (retorno de eco), recibido por
el transductor y convertido de nuevo en un pequeño impulso eléctrico.
2.4 Sistema de estado.
El sistema de posición es el encargado de establecer con la mayor precisión
posible el estado actual de vehículo, dígase profundidad y altura. Para ello se
seleccionó el equipamiento necesario que cumpla con estos requisitos.
Dado que este prototipo debe realizar un conjunto de maniobras bajo el agua, es
necesario conocer la profundidad a la que se encuentra el AUV. Para ello se
decidió usar un barómetro , el Hydrolab DS5, que permitirá medir la presión y
estimar la profundidad a que se encuentra el equipo (Bizingre et al., 2004, Bazeille
et al., 2007).
CAPÍTULO 2 ARQUITECTURA DE HARDWARE
23
El uso de un dispositivo que permita medir la distancia que hay entre el submarino
y el fondo del mar hace posible evitar colisiones durante las maniobras que
incluyan el descenso a bajas profundidades del AUV. Para resolver esta
problemática se puede utilizar un altímetro diseñado para estos fines. Los más
comunes para este tipo de aplicaciones son los ultrasónicos, esto implica la
colocación de uno de estos elementos en la parte inferior del vehículo apuntando
hacia abajo para poder mantener una referencia con respecto al fondo (Altshuler
et al., 2001, Myers et al., 2005), pero como ya estamos utilizando un sonar FLS de
amplio barrido, capaz de cubrir 90 grados de barrido , se determino aprovechar lo
beneficios del mismo. Las características de este sensor fueron abordadas en el
epígrafe 2.3.
2.5 Sistema de cómputo
Para lograr una correcta operación del vehículo, es necesario la selección de un
elemento de cómputo capaz de comunicarse con los distintos sensores para reunir
sus datos y mediante un software de control procesarlos y mantener la operación
de navegación autónoma siguiendo las tareas programadas. En el mundo de los
ordenadores se han realizado grandes avances que han mejorado su potencia y
capacidad de cálculo, pero para esta aplicación, la PC además de mantener unas
elevadas prestaciones, debe cumplir con criterios tales como: las posibilidades
para la comunicación serie mediante el protocolo RS-232 el cual es muy usado por
los sensores antes descritos, debe presentar resistencia a vibraciones y poseer
canales PWM para ejercer el mando sobre los servos motores que se encuentran
en el submarino para el control del mismo, además requiere alta integración de
prestaciones y puertos de comunicación, soporte para dispositivos de
almacenamiento masivo no electromecánicos y posibilidad de buses de
expansión.
CAPÍTULO 2 ARQUITECTURA DE HARDWARE
24
A todos estos criterios de hardware se suma el hecho de que debe ser capaz de
correr en un sistema operativo de tiempo real y la aplicación en la cual se rige el
control, mando y comunicación del vehículo, manteniendo las condiciones de HRT
(hard real time), dígase la capacidad de atender las distintas necesidades de
tiempo de muestreo que presentan lo sensores manteniendo los algoritmos de
control utilizados.
Este elemento tiene especial significación debido a que de su correcta selección,
trae consigo la posibilidad de ampliar el rango de aplicaciones y la posibilidad en
el futuro de añadir nuevas prestaciones.
Por las razones antes expuestas se propone una PC/104 la cual es usada también
por otros fabricantes de vehículos submarinos autónomos (Myers et al., 2005,
Sangekar et al., 2008).
2.6 Sistema de comunicación
Para casi cualquier tipo de aplicación e inclusive para un respaldo de control se
hace necesario un enlace de comunicaciones que permita a distancia enlazarse
con el vehículo ya sea para dar órdenes o descargar información sensada por el
mismo.
Para garantizar la comunicación con el submarino bajo el agua hoy día la mayoría
de los fabricantes coinciden con el empleo de un modem acústico (Marques et al.,
2007, Altshuler et al., 2001, Anilesh et al., 2007). Aunque en nuestro proyecto no
emplearemos este por las razones siguientes:
Serias limitaciones en cuanto al alcance y la velocidad de transferencia de
datos.
CAPÍTULO 2 ARQUITECTURA DE HARDWARE
25
No se podría operar en áreas cercanas a la costa.
Posee alto costo.
Como la relación costo beneficio que brinda el modem acústico para esta
aplicación, no es buena se selecciono, un sistema de comunicación por medios
inalámbricos, siendo las opciones: los sistemas de LAN inalámbricos o el
MODEM–Radio. Debido a que este proyecto requiere una comunicación de largo
alcance y el volumen de datos a transmitir no es muy elevado, se decidió tomar el
MODEM–Radio ya que este cumple con las exigencias que se requieren logrando
un menor costo (Sangekar et al., 2008, Bazeille et al., 2007, Bizingre et al., 2004).
Es de destacar que esta selección tiene como limitante que el vehículo solo se
puede comunicar cuando está en la superficie.
2.7 Arquitectura de hardware
Figura 2.2.Arquitectura de Hardware.
CAPÍTULO 2 ARQUITECTURA DE HARDWARE
26
El sistema debe quedar estructurado como se muestra en la figura 2.2. La
arquitectura en su conjunto debe estar contenida físicamente dentro de un
container a prueba de impactos y condiciones ambientales desfavorables. Dicho
container se fijará al AUV mediante soportes antivibración.
CAPÍTULO 3 OPERACIÓN DE SISTEMA
27
CAPITULO 3 OPERACIÓN DE SISTEMA
Para que la arquitectura de hardware logre satisfacer el conjunto de requisitos
que requiere la aplicación, no solo depende de la correcta selección de los
sensores, sino también de una eficiente operación de sistema. En este capítulo
se tratará primeramente sobre como esta estructurada la arquitectura planteada
en el capitulo anterior, así como las características de los principales sensores
que forman parte de sistema de navegación, dado que es el sistemas que rige la
estabilidad del vehículo. Con el objetivo de mejorar las deficiencias que puede
presentar la navegación, se propone la utilización del filtro de Kalman como
método de integración multisensorial. Además se realiza un análisis de los tiempos
de adquisición de datos y estado económico del proyecto.
3.1 Descripción de la arquitectura de hardware
Esta arquitectura de hardware, la cual se diseño durante la realización de este
proyecto, consta de tres sensores digitales, la MTi-G, el Forward Looking Sonar y
el Hydrolab DS5, los cuales emplean protocolo de comunicación RS-232, lo que
permite la conexión a la unidad de procesamiento mediante los puertos serie que
posea la misma. La comunicación con la estación en tierra se establecerá
mediante un modem radio, que es el encargado de enviar información para
alimentar la base de datos que usa el supervisor. El moden radio también servirá
para recibir la información proveniente de tierra en la etapa de configuración del
AUV.
La unidad de procesamiento elegida por esta arquitectura es una PC/104, la cual
es usada como sistema de guía y control del AUV. Esta unidad cuenta con 4
puertos serie empleados para la comunicación con los sensores. Además posee
CAPÍTULO 3 OPERACIÓN DE SISTEMA
28
una interfaz PWM, a través de la cual enlaza los servomotores para controlar el
vehículo.
La PC/104 empleada en este proyecto cumple varias funciones. La primera es la
adquisición de datos que brindan los sensores conectados a ella, mediante el
puerto serie. La segunda es la creación de una estructura donde son almacenados
los datos obtenidos de los sensores y por último, esta unidad está encargada de
ejercer los mandos sobre los actuadores, de acuerdo con la información que se
encuentre en la base de datos.
3.2 Características de la MTi-G. En este epígrafe se realiza un análisis sobre las características de la MTI-G como
sensor principal del sistema de navegación. Este sensor fue fabricado por Xsens
Technologies B.V. cuyo modelo es MTi-G. Para mayor información sobre el
funcionamiento del mismo consúltese los manuales dados por el fabricante(Xsens,
2009).
3.2.1 Calibración Este sensor, a diferencia de sensores anteriores de este mismo fabricante, posee
un modo en el cual se entregan los datos calibrados. Solo necesita 500 ms de
tiempo de establecimiento, mediante el cual toma los valores que está recibiendo y
se calibra automáticamente de acuerdo a la variación de los mismos, durante este
tiempo, los valores que se obtienen del sensor deben ser desechados.
3.2.2 Limitaciones
Las limitaciones de la MTi-G están dadas por las deficiencias de cada uno de sus
sensores , para lograr un mayor entendimiento se analizan los siguientes
parámetros.
CAPÍTULO 3 OPERACIÓN DE SISTEMA
29
3.2.2.1 Limitaciones IMU
Existen pocas limitaciones para la IMU que pudieran influir en nuestro sistema, no
obstante, estas limitaciones pueden causar errores en las mediciones. A
continuación se mencionan las principales.
Un problema a tener en cuenta son las vibraciones porque pueden afectar
directamente a los acelerómetros. Esto ocurre por dos razones principales:
La primera se refiere a que si la magnitud de la vibración es más larga que el
rango del acelerómetro, puede suceder que el mismo se sature y tienda a los
niveles cero del acelerómetro, lo cual causaría una estimación errónea del
roll/pitch.
La segunda posible causa es que si la frecuencia de vibración es más alta que el
ancho de banda del acelerómetro, aunque en teoría deberían ser eliminadas estas
vibraciones, en la práctica se mantienen ocasionando una subida de aliasing;
especialmente si se trata de un ancho de banda limitado, esto puede observarse
en bajas frecuencias de oscilación. Una forma de resolver este problema es aislar
de las vibraciones a los sensores mediante un aislador.
La tercera causa es el BIAS de la señal de los acelerómetros error acumulativo
que debe ser filtrado
3.2.2.2 Limitaciones GPS
Una de las principales limitaciones que posee este dispositivo es que necesita
localizar al menos 4 satélites antes de comenzar a transmitir la posición 3D del
sistema. En cuanto a la precisión podemos decir, que el error cometido durante la
medición de la posición puede llegar a ser hasta de 4 metros y la precisión de la
velocidad es de ±0.2 m/s. Es de destacar que este sensor brinda información a
CAPÍTULO 3 OPERACIÓN DE SISTEMA
30
una razón mucho más baja que la IMU, por lo que se hace necesario realizar
procesos de sincronización de sus respectivas informaciones.
3.2.3 Tiempo requerido para obtener los datos.
La MTi-G puede ser ajustada para diferentes números de bps, dados por la
frecuencia de muestreo y cantidad de datos que emplea para la comunicación; en
este caso se ajustó el número de bits por segundo a 115200. Este ajuste fue
hecho de acuerdo a las exigencias de obtener una muestra cada 40 ms (25 Hz).
Este tiempo está dividido en dos principales intervalos: demora en la transmisión y
tiempo de cálculo de los sensores.
La demora en la transmisión está dada por el número de bps al cual está
configurado el puerto, en este caso está configurado a 115200 bps y la demora es
de 4.77 ms; a este número se le suma la demora del cálculo de los sensores, que
en el peor caso sería de 6.84 ms. El tiempo total de demora en la obtención de
datos es de 11.61 ms.
Durante un tiempo de funcionamiento muy largo, es necesario usar un reloj para
sincronizar dicho sensor al sistema, debido a que posee una precisión de tiempo
de ± 0.3 μs/muestra.
3.2.4 Método de muestreo
La IMU puede ser ajustada en dos diferentes modos, el modo de muestreo
continuo y modo de muestreo por petición. Usando la IMU en modo de muestreo
por petición es necesario enviarle la orden para que prepare los datos, que
después serán recibidos por el puerto serie; para el funcionamiento de dicho
sensor en este modo se deben enviar las peticiones de datos cada cierto tiempo,
de acuerdo con la frecuencia de muestreo definida. Esta tarea también puede ser
realizada automáticamente por la IMU, por lo que se decidió configurarla al modo
de muestreo continuo en el que se entregan los datos automáticamente sin
CAPÍTULO 3 OPERACIÓN DE SISTEMA
31
esperar una orden de preparar datos, de acuerdo con la frecuencia de muestreo
que le fue definida durante el proceso de configuración.
3.2.5 Cadena de salida de la IMU
Cada una de las salidas que entrega la IMU, está compuesta por el siguiente
formato:
Donde PRE es el preámbulo que indica el inicio de una cadena, este campo
siempre contiene el valor de 250 (FA), BID es el identificador del bus, indica que la
IMU está configurada en el modo de entrega de muestras continuas, usa como
valor de dirección 255 (FF), el campo MID es el identificador de mensaje, contiene
la información del tipo de mensaje que se está recibiendo del sensor, LEN da el
número de datos en bytes del campo de datos, DATA es el campo en el cual se
encuentran los datos, su longitud puede variar, y el CS es el campo de chequeo
de suma permite verificar que el mensaje sea valido para ser procesado y no se
hayan perdido datos, para elle se suman todos los bytes del mensaje y si el byte
menos significativo es igual a cero, el mensaje es valido. Excepto el campo de
datos, los demás campos ocupan 1 byte dentro de la cadena.
La IMU puede entregar el campo de datos en diferentes formatos con o sin
calibrar, en nuestro caso utilizaremos los datos calibrados. En el formato básico se
obtienen las medidas de cada uno de los sensores incluidos dentro de la IMU,
como son; la aceleración lineal, velocidad de giro dados por el giroscopio y el
campo magnético en los tres ejes. A continuación se muestra el formato de salida
del campo de datos para este caso:
Otro formato de salida de la IMU, que se considera importante resaltar en este
trabajo, son los ángulos de Euler, cuyo formato se muestra a continuación:
CAPÍTULO 3 OPERACIÓN DE SISTEMA
32
Los campos anteriormente mencionados tienen un tamaño de 32 bits (cuatro
bytes) dentro de la cadena, ya sean los campos de formato simple o de ángulos
de Euler. La IMU emplea el protocolo IEEE-754 para convertir estos valores de
número enteros en valores útiles de gran precisión, que pueden ser usados por el
supervisor o el control.
El modelo de unidad inercial que poseemos, permite configurar dicho sensor para
obtener un híbrido de estos campos antes mencionados. En nuestro caso la IMU
se configuró para que inicialmente entregara los ángulos de Euler, luego los
campos de aceleración, giroscopio y magnético; por último se incluye el campo de
temperatura del sensor. A continuación se muestra el formato elegido para nuestro
proyecto.
La IMU también puede dar otros tipos de mensajes conocidos como código de
error, los cuales ocupan 1 byte (dos números hexadecimales), que pueden ser
usados por el programa para detectar cualquier problema en la comunicación o en
la configuración de la misma y cada vez que se realiza una configuración para
confirmar que no hubo errores, la IMU envía la misma cadena, pero con el campo
del identificador incrementado en 1. Estos mensajes son conocidos como
mensajes de reconocimiento (Ack).
3.2.6 Cadena de salida del GPS
La cadena de salida del GPS contiene en el campo de datos la latitud, longitud y
altura que representa la posición en la cual se encuentra la antena conectada a la
MTi-G, además de las velocidades en los tres ejes de coordenadas. Para nuestro
proyecto utilizaremos solo las tres primeramente expuestas y despreciaremos los
CAPÍTULO 3 OPERACIÓN DE SISTEMA
33
datos de velocidad. El formato a utilizar para el campo de datos de salidas esta
representado por:
Este campo posee una longitud de 32 bit aunque puede ser configurado para alta
precisión a 48 bit.
3.3 Sistema de navegación integrado.
La necesidad de navegar con éxito en un medio subacuático se ha convertido en
una importante preocupación de los investigadores desde la década de 1990
(Kwak, 2002).
El desarrollo de un sistema de navegación integrado es usado en última instancia,
cuando se requiere mejorar los resultados mediante la eliminación de las
deficiencias relacionadas con los diferentes elementos del sistema, en este caso
GPS, INS y Sonar. El GPS es susceptible bajo condiciones de alta dinámica y se
limita en los casos de interrupción por satélite (Faruqi, 2004). Las señales del GPS
no tienen efecto bajo agua y resultan, por tanto, de poco uso en un entorno
subacuáticos. El INS sufre de la necesidad de una constante calibración debido a
los problemas que se derivan en la IMU. La IMU es un dispositivo mecánico y,
como tal, adolece de fallos de esta índole. Los errores de desalineación debido a
la imperfección de la orientación de el INS es también una fuente de error de
navegación (McPhail, 2003). El Sonar es susceptible a las variaciones en la
velocidad del sonido bajo agua, el cual es importante para determinar el
movimiento del vehículo (Jorgenson, 2004). Con la integración del GPS, INS y
Sonar se fusionan las virtudes de cada sistema para un mejor funcionamiento.
La integración del GPS / INS / SONAR se logra usando el filtro de Kalman. El filtro
de Kalman es un estimador recursivo que produce una mínima estimación de la
CAPÍTULO 3 OPERACIÓN DE SISTEMA
34
covarianza de el vector estado (Kalman and Bucy, 1961, Faruqi, 2004). El filtro de
Kalman es una buena elección de diseño, como el filtro debe ser robusto y debe
responder a un número variable de mediciones externas. El modelo integrado
GPS / INS / SONAR funciona de la siguiente manera: cuando el vehículo esté en
la superficie, el sistema de navegación utiliza solo GPS / INS. Este sistema es
modelado por 11 estados del filtro de Kalman. Los once estados cuentan los
errores en la posición (x, y, z), la velocidad (x, y, z), la aceleración (x, y, z), el error
del reloj y de la frecuencia de reloj del GPS. Cuando el vehículo está sumergido,
el sistema de navegación utiliza INS / SONAR y es modelado usando 9 estados
del filtro de Kalman. Los nueve estados presentan error de posición (x, y, z), de
velocidad (x, y, z) y de aceleración (x, y, z). El filtro de Kalman es capaz de
generar la estimación de los errores en la posición, la velocidad y aceleración que
pueden ser utilizados para corregir el pleno estado nominal del sistema.
Un modelo conceptual del sistema integrado se representa en la Figura 1.
Figura 3.1. Modelo conceptual (Bennamoun et al., 2009).
A modo de resumen, la tecnología moderna ha hecho grandes mejoras en la
mayoría de sistema de navegación con la inclusión del GPS/ INS /SONAR. Estos
CAPÍTULO 3 OPERACIÓN DE SISTEMA
35
sistemas se pueden utilizar de manera más eficiente utilizando una arquitectura
integrada. El sistema integrado combina las virtudes de cada uno de los sistemas
para obtener mejores resultados, menos errores y, por ende, mejorar la
rendimiento. Se considera que un mayor desarrollo de sistemas integrados de
GPS / INS / SONAR mejorará aún más el rendimiento y la robustez de los
modelos de navegación submarinos.
3.4 Tiempo de adquisición de datos. El tiempo de adquisición de datos es muy importante, pues estamos hablando de
una aplicación en tiempo real, que necesita un flujo de datos continuo, para ejercer
un buen control sobre el vehículo.
Para la IMU-GPS, el tiempo de adquisición de datos, esta delimitado por la
necesidad de acceder a uno de sus sensores. En el caso del GPS se ha podido
comprobar que la posición del AUV no varía significativamente en el transcurso de
1 segundo, mientras que la IMU, a diferencia del GPS, requiere un mayor grado
de actualización en sus valores, se ha demostrado que estos pueden variar
notablemente en intervalos de tiempo muy pequeños, por lo que se decidió
configurarla para una frecuencia de muestreo de 25 Hz.
Debido a que nuestro prototipo se traslada a poca velocidad, la posición varia
gradualmente por lo que en términos de 1 segundo no se producen cambios
significativos en su estado. En el caso de la detección de obstáculos, la altura y la
profundidad, no se ven afectadas en el transcurso de pequeños intervalos de
tiempo. Por lo tanto no se hace necesario realizar un muestreo a mayor frecuencia
sobre el sonar y el barómetro.
Este sistema utiliza un MODEM digital para la comunicación con la estación en
tierra, pero dicha estación no requiere un flujo continuo de datos, debido a que el
procesamiento de los mismos es realizado por el mando dentro de la computadora
CAPÍTULO 3 OPERACIÓN DE SISTEMA
36
a bordo del vehículo. El supervisor solo se encarga de mostrar el estado actual del
vehículo, pero no influye directamente sobre el control del AUV salvo en
circunstancias de emergencia y control de alarmas. Además dicha comunicación
se establecerá cuando el vehículo se encuentre en la superficie, por estas razones
se decidió muestrearlo cada 5 segundos.
Tanto el Modem como la IMU-GPS, el Sonar y el Barómetro usan protocolo RS-
232, por lo que necesitan un puerto serie cada uno para lograr la comunicación
con la PC a bordo del vehículo. Como el sonar, el barómetro y el modem no
requieren una alta tasa de actualización como ya se ha dicho anteriormente, se
pudiera disminuir la cantidad de puertos requeridos multiplexado cada uno de los
sensores en un solo puerto, no siendo así en el caso de la IMU, que requiere un
puerto dedicado únicamente a la comunicación con la misma. En este caso no es
necesario economizar los puertos ya que la PC seleccionada cuenta con cuatro
puertos dedicado solo a dicha comunicación.
Para plantear el ciclo de muestreo es necesario definir la frecuencia a la que se
requiere muestrear cada elemento, además de determinar los tiempos de retardo
de cada uno. A continuación se muestra una tabla con dicha información
Tabla 3.1. Ciclo de Muestreo
Elemento Frecuencia de Muestreo Tiempo de retardo
MTi-G 25 Hz 15 ms
Mando 25 Hz 15 ms
FLS 1 Hz 10 ms
Hydrolab DS5 1 Hz 10 ms
Modem 0.2 Hz 10 ms
CAPÍTULO 3 OPERACIÓN DE SISTEMA
37
Figura 3.2. Ciclo de muestreo.
3.5 Análisis económico.
En el presente proyecto ha quedado claramente expresado la importante gama de
aplicaciones de los submarinos autónomos, si bien el cliente identificado es el
CIDNAV (Centro de Investigaciones Navales) y teniendo en cuenta que el
proyecto esta basado en un AUV para estudios marinos, no podemos dejar de
resaltar que otras múltiples misiones podrían realizarse como ya se ha abordado
en capítulos anteriores. En todos los casos con un importante ahorro económico y
un innegable impacto social y ambiental.
Los costos de una inversión como esta, están estrechamente relacionados con las
precisiones de navegación y posicionamiento que demande la aplicación, sobre
CAPÍTULO 3 OPERACIÓN DE SISTEMA
38
todo por el costo de la IMU y el Forward Looking Sonar. Además se debe analizar
la necesidad o no, de agregar un conjunto de elementos, dígase webcan, otros
sensores tanto analógicos como digitales, modem acústico etc, que posibiliten
ampliar el rango de aplicaciones.
Ante esta variedad de circunstancias detallaremos el siguiente análisis de costos,
basado en los precios del mercado internacional para los distintos componentes
que es necesario adquirir. Se debe tener en cuenta que la mayoría de los
componentes más importantes se tendrán que localizar en el extranjero y
transportar a Cuba, se puede estimar que el presupuesto total se incremente en
alrededor del 10% por costos de transportación, lo que se llevará en el análisis
económico como gasto indirecto.
Tabla 3.2 Análisis económico
Elemento URL Precio(cuc)
IMU-GPS
(MTi-G)
http://www.xsens.com/en/products.php
4200.000
FLS
(Thru-Hull Ducer)
http://www.westmarine.com/webapp/wcs/stor
es/servlet/producte/10001/1/10001/144126?C
ID=cj&srccode=cii_11138&cpncode=20-
7133955-2
1599.992
Barómetro
(Hydrolab DS5)
http://www.hydrotechzs.com/hydras3.html
799.000
Modem
(X24-019-DK)
http://www.digikey.be/1/1/379898-kit-dev-2-
4ghz19 2k-w-rpsma-x24-019-dk.html
367.116
Elemento URL Precio(cuc)
CAPÍTULO 3 OPERACIÓN DE SISTEMA
39
PC/104
CPU
(PCM-3380Z-
S0A2E)
http://buy.advantech.com/PC-104-Modules/CPU-
Modules/model-PCM-3380Z-S0A2E.htm
700.800
Fuente
(PCM-3910Z-
00A1E)
http://buy.advantech.com/PC-104-Modules/PC-
104-Modules/model-PCM-3910Z-00A1E.htm
172.800
Memoria
(DDR Memory
1GB)
http://ec.transcendusa.com/product/ItemDetail.asp
?ItemID=TS128MSD64V3A
43.520
CFC
(CompactFlas
hCard)
http://ec.transcendusa.com/product/ItemDetail.asp
?ItemID=TS8GCF266
77.680
Después del análisis anterior podemos llegar a que el total llevará a un valor
cercano a los 7960.908 cuc más los gastos indirectos.
3.6 Conclusiones del capítulo.
Como se puede apreciar de lo expuesto en este capítulo, la estructura propuesta
satisface las necesidades para lograr una operación segura y fiable en casi
cualquier entorno. En la misma solo deben ser tenidos en cuenta como variables
los elementos de precisión de los distintos elementos que la componen, que
estarán dados por las necesidades de la aplicación en cada caso. Esta estructura
permite el montaje sobre la misma de un grupo de aplicaciones variadas (capítulo
CAPÍTULO 3 OPERACIÓN DE SISTEMA
40
1) que para el marco de este proyecto fue la inspección submarina con fines
investigativos.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
41
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones
Se ha podido constatar que el tema de los vehículos submarinos autónomos ha
suscitado un importante interés durante los últimos años y sigue motivando en la
actualidad la actividad investigadora de una numerosa comunidad científica.
La arquitectura propuesta satisface las necesidades propuestas, lo que la hace
generalizable a aplicaciones similares, solo siendo de considerar dentro de ella la
precisión con que deben operar sus componentes.
El sistema de navegación propuesto se muestra como la opción más viable, en
relación economía/precisión.
En el presente trabajo se respalda la necesidad de la integración sensorial de alto
nivel para palear las diferencias de las mediciones.
El montaje del sistema con elementos comerciales, brinda la posibilidad de crear
una aplicación robusta y sencilla que pueda ser usada en aplicaciones de
propósitos muy variados, con un precio razonable, siempre inferior a las
propuestas actuales del mercado internacional.
Recomendaciones
Los vehículos autónomos prueban cada día mas su validez para ser considerados
una opción a problemas industriales, geológicos o ambientalistas, por este motivo
consideramos que deben ser objeto de un mayor estudio determinando con total
precisión sus áreas de aplicación no solo en nuestro país sino en nuestra región.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
42
El desarrollo de prototipos como el planteado en el epígrafe 1.6.2 pueden y deben
ser las opciones para acercarnos a un mundo que cada ves abarca a un mayor
número de científicos, desarrolladores y fabricantes a nivel mundial.
Se deben estudiar otras técnicas de fusión de información y filtrado de ruido que
tengan mejores resultados y menor gasto computacional.
Se debe considerar el abrir una línea de investigación que llegue a fusionar con la
arquitectura propuesta los elementos sensores para la aplicación, desarrollando
algoritmos optimizados para el manejo de recursos en un entorno de tiempo
compartido.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
43
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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ANEXOS
46
ANEXOS
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LOS SENSORES MTi-G
Tabla 1. Especificaciones técnicas de la MTi-G
Interfaz
Interfaz Digital RS-232(Max 921k6 bps)
Voltaje de operación 5 - 30V
Antena GPS Conector SMA
Altitud y Cabeceo
Exactitud (roll/pitch) < 5 deg
Exactitud (cabeceo) <1 gr
Resolución angular 0.05 deg
Rango dinámico (pitch) ± 90 deg
Rango dinámico (roll/cabeceo) ± 180 deg
Limites Máximos de Operación
Altitud 18 Km
Velocidad 60 m/s (2160 km/h)
Rango de Operación (temp) - 20... +60 °C
ANEXOS
47
Figura 1. Especificaciones individuales de la IMU
Figura 2. Especificaciones individuales del GPS
Forward Looking Sonar
Rango de profundidad………….. de 0 – 25 hasta 0 – 600 pie.
Rango hacia adelante……………de 0 – 50 hasta 0 – 1200 pie
Frecuencia de transmisión………200 kHz.
Potencia transmitida……………..aprox. 450 RMS o 3600 pico a pico Watt.
Barrido vertical……………..……..90 grados.
Barrido vertical……………..……..180 grados.
Hydrolab DS5
Máxima profundidad……………………….250 m
ANEXOS
48
Interfaz de comunicación………………….RS-232 Memoria……………………………………..120 mediciones Temperatura de operación………………..-5 hasta 50 °C. Tabla 2. Especificaciones de los niveles de profundidad
Profundidad 0 - 10
Rango 0 a 10 m
Precisión ± 0.01 m
Resolución 0.001 m
Profundidad 0 - 25
Rango 0 a 25 m
Precisión ± 0.05 m
Resolución 0.01 m
Profundidad 0 - 100
Rango 0 a 100 m
Precisión ± 0.05 m
Resolución 0.01 m
Profundidad 0 - 200
Rango 0 a 200 m
Precisión ± 0.1 m
Resolución 0.1 m
ANEXOS
49
PC/104
La PC/104 esta compuesta por una serie de módulos de los cuales se
seleccionaron los necesarios para nuestra aplicación.
1. Modulo de CPU
El módulo de CPU seleccionado consta con:
Procesador de Intel Pentium M a 1.6 GHz
Chipset de Intel 855 GME
Interfaz PCI Ethernet a 10/100 Mbps
CF socket soporta Compact Flash Card (CFC)
Soporta 6 puertos USB 2.0
Presenta 4 puertos COM (comunicación RS-232)
SODIMM socket soporta memoria DDR SDRAM de 1GB
Figura 3. Módulo de CPU de la PC/104
ANEXOS
50
2. Fuente
Rango de voltaje de entrada….10 a 24 Vdc
Rango de voltaje de salida.......12V – 2.0 A; 5V – 10.0A; -5V – 0.4A; -12V – 0.4A
Interfaz para PC/104…………….si
Potencia de salida………………50 W
Figura 4. Fuente
3. Modulo de Memoria
Tipo de memoria……………………DDR
Módulo……………………………….SO-DIMM
Número de pin………………………200
Frecuencia…………………………..DDR333
Capacidad……………………………1GB
Voltaje…………………………………2.5 V
ANEXOS
51
Figura 5. Memoria DDR
4. Modulo de CompactFlash Card (CFC)
Capacidad………………………………………8GB
Voltaje……………………………………………3.3/5 V
Taza de transferencia de datos…………….40MB/sec (max)
Figura 6. Compact Flash Card
Modem - Radio (XStream, 2008)
Interfaz de comunicación……………….RS-232
Frecuencia de operación……………….de 2.4000 a 2.4835 GHz.
Soporta topologías…………………..…. peer to peer, point to multipoint y multidrop
ANEXOS
52
Velocidad de transferencia de datos…10.000 bps a 20.000 bps
Velocidad estándar .…………………….9600 bps o 19.2kbps
Para otros datos ver el manual de usuarios (XStream, 2008).
Figura 7. Modem
