JORNADAS TÉCNICAS SOBRE VEHÍCULOS NO TRIPULADOS …...• MT6.1.4 Facilitar la interacción humana...

PROGRAMA BUSCAMOSAntonio Guerrero González1

Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT)Cartagena, 24 de Abril de 2013

http://www.campusmarenostrum.es

JORNADAS TÉCNICAS SOBRE VEHÍCULOS NO TRIPULADOS DE APLICACIÓN NAVAL

UPCT

INDICE

1. Laboratorio de Vehículos Submarinos.

2. Programa BUSCAMOS.

3. USV BUSCAMOS.

4. UUV BUSCAMOS.

VEHICULOS NO TRIPULADOS DE APLICACIÓN NAVAL - PROGRAMA BUSCAMOS

5. Algoritmos neuronales de control.

desarrollar equipos y tecnologías relacionadas con losvehículos submarinos y sus aplicaciones.

Laboratorio de Vehículos Submarinos, (LVS-UPCT)UPCT

Unidad de Investigación multidisciplinar

• Arquitectura y Construcción Naval• Oceanografía• Robótica Submarina

Con expertos en:

• Ingeniería de Sistemas y Automática• Inteligencia Artificial• Electrónica Submarina• Ingeniería Mecánica• Matemática Aplicada

• Telecomunicaciones

Objetivo:



Proyectos de Investigación.

• Sistema de búsqueda y localización de objetivos submarinos basado en vehículos autónomos de superficie y submarinos coordinados (BUSCAMOS). DGAM. 2011-2013

• Diseño de un vehículo de inspección submarina autónoma para misiones oceanográficas – UPCT. Ministerio de Economía y Competitividad. (2009-2012)

• Sistema de control de vehículos autónomos para tareas de inspección y maniobra (SILEO). DGAM. 2005-2007.

• Sistema Inteligente de Control para Navegación Autónoma de Vehículos SubMarinos No Tripulados en Misiones Oceanográficas Totalmente Automatizadas (ICONAUT). CDTI Electrocanteras.

• Laboratorio de Investigación para Sistemas en Vehículos. SiVelab. INNPLANTA 2011.



PROGRAMA BUSCAMOS

Principales equipos del LVSCarácterísticas del UUV-UPCT

Peso del Vehículo: 160 Kg.Dimensiones: 1680 x 600 x 600 mmMax. Velocidad: 4 knots (48V), 2 knots (24V).Profundidad Operacional 300 meters.

Test Data:Peso del Vehículo 135 Kg (148.4 Kg)Lastre: 25 Kg (15 Kg). Peso Total163.4 KgDesplazamiento 163.8 dm3

Desplazamiento del lastre 1.92 dm3

Empuje Neto: 2.32 Kg

Elemento: Camera y focosSide-Scan sonarDVL

Video CameraSistema InercialModem AcousticoSensor de ProfundidadPositioning SystemRed CanOPENSubmersible Ultraviolet Nitrate AnalyzerMultiparametric Sonde (YSI-66000 V2-4)

Pluto - AEGIR


Principales equipos del LVSECOMAPPER

Características:

• DVL, para medida de la velocidad sobre el fondo, de 4 haces a 1MHz.

• Navegación GPS en superficie, navegación por estima, basado en medidas inerciales.

• Medidas de los parámetros del agua: conductividad, temperatura, profundidad, oxigeno disuelto, turbidez, ph/ORP, clorofila, rodamina.



Principales equipos del LVSECOMAPPER



AUV Experiment 2011.

LSTS, Laboratório de Sistemas e Tecnologias Subaquáticas, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

CIRS, Centro de Investigación de Robótica Submarina, Universidad de Gerona

MBARI – Monterey Bay Aquarium Research Institute

SARTI (Sistemas de Adquisición Remota y Tratamiento de la Información)- Universidad Politécnica de Cataluña.

LVS- UPCT (Laboratorio de Vehiculos Submarinos) Universidad Politécnica de Cartagena.



AUV Experiment 2011.


UPCT

INDICE



3. USV BUSCAMOS.

4. UUV BUSCAMOS.



PROYECTO BUSCAMOSUPCT

Diseñar y construir un sistema para la búsqueda y localización de objetivos sumergidos sobre extensas áreas de mar mediante el uso intensivo de un vehículo de superficie autónomo (Autonomous Surface Vehicle, ASV) propulsado mediante energías limpias en cooperación con un vehículo submarino autónomo (Autonomous Underwater Vehicle, AUV) asociado.

OBJETIVO



METAS TECNOLÓGICAS INCLUIDAS EN EL ETID


• MT 6.1.4 Facilitar la interacción humana en los sistemas C2.

• MT 2.1.8 Disponer de capacidad tecnológica para analizar el comportamiento en entornoreal de los sistemas sónar embarcados en buques de superficie y submarinos.

• MT 2.2.2 Aumentar las capacidades automáticas de detección, localización,reconocimiento y/o identificación.

• MT 2.2.3 Desarrollar y mejorar las herramientas avanzadas de análisis de información para laobtención de inteligencia a partir de los datos procedentes de los sensores.

• MT 3.1.3 Incrementar las capacidades de los UXVs en la neutralización del enemigo.• MT 3.1.4 Incrementar las capacidades tecnológicas que permitan conformar redes de UXVs

de diferentes categorías.• MT 3.3.3 Introducir combustibles alternativos a los derivados del petróleo, que puedan

emplearse bajo el concepto de combustible único.• MT 3.5.5 Incrementar las capacidades tecnológicas que permitan la Integración lógica de

USVs/UUVs con las plataformas y entre ellos.• MT 3.5.6 Incrementar las capacidades tecnológicas necesarias para misiones en aguas

litorales (cazaminas, defensa perimetral, etc.) de USVs / UUVs.• MT 6.1.2 Incrementar la automatización de las capacidades CIS asociadas a los sistemas de

Mando y Control.

UPCT

INDICE



3. USV BUSCAMOS.

4. UUV BUSCAMOS.



VEHÍCULO AUTÓNOMO DE SUPERFICIE: 1º FASE, DISEÑO CONCEPTUAL

UPCT

Paso 1. Requisitos de Proyecto

• Operatividad (Control y Fuentes de energía)• Autonomía• Velocidad•Sistema de Maniobra V. Superficie-V. Submarino

Paso 2. 1as Estimaciones de:

Equipos Necesarios(Pesos a bordo)

Resistencia al Avance (Potencia propulsora)

Disposición General Evaluación de la Estabilidad

Diseño Concurrente hasta el Establecimiento de la Solución Viable

Balance Energético


VEHÍCULO AUTÓNOMO DE SUPERFICIE: Descripción

UPCT

Componentes

1. Plataforma (Casco) 2. Propulsión y Gobierno

4. Fuentes Energéticas

3. S. ManiobraV. Superficie-V. Submarino



UPCT

1. Plataforma (Casco)

Construido en Poliéster Reforzado con Fibra de vidrio (PRFV).

• Eslora Total: 5,10 m.

• Eslora en la flotación: 4,70 m.

• Manga Máxima: 1,97 m.

• Puntal (D): 0,79 m.



UPCT


Adecuación a las Características Operativas.Instalación de Cintón de Elastómero para Prevenir Golpes sobre el Casco.

Construcción (PRFV) e Instalación de Amura de 0,5 m. de Altura para Proteger a los Equipos dePosible Rociones de Agua.



UPCT


Adecuación a las Características Operativas.Laminación de Polines para el Montaje del Grupo Diesel-Generador, Carretel y la Estructura

Soporte de las Placa Solares.• Polín Grupo Diesel-Generador y Carretel

• Polín Estructura Soporte Placas Solares



UPCT


Adecuación a las Características Operativas.Instalación de 2 Pasacascos para el Cableado de Equipos Electrónicos (Sonda y Sonar)

• Vista desde el Interior de la Embarcación

• Vista desde la Obra Viva



UPCT


Adecuación a las Características Operativas.Diseño, Construcción e Instalación A Bordo de un Mástil para el Soporte de las Luces de

Navegación y Antena Radar.

Proceso Constructivo Instalación A Bordo Detalle de Unión al Casco



UPCT


Adecuación a las Características Operativas.Diseño, Construcción e Instalación a Bordo de la Estructura de Soporte de Placas Solares.

• Construcción en Aluminio.

• Diseño Telescópico con Dos Alturas de Trabajo a 1,80 m. y 2,40 m.

Proceso Constructivo Montaje A Bordo



UPCT

2. Propulsión y Gobierno

La Embarcación está Equipada con Dos Propulsores Eléctricos.

Estudio Previo de Resistencia al Avance (Resistencia de la Embarcación +Inducida por el Remolque del Vehículo Submarino).

Simulación por Cálculo Directo y Mediante Software CFD.

Potencia Estimada de Propulsión 4,0 Kw.

• Potencia unitaria: 2,04 Kw.

• Tensión nominal: 48 V.

• Empuje estático: 214 Lbs

• Integración de propulsión y

gobierno en un mismo sistema



UPCT

3. Sistema de Maniobra V. Superficie-V. Submarino

Estudio de Remolque para Determinar Fuerzas y Disposición de Elementos ABordo.

Disposición de Carretel a Proa del Diesel-Generador y Artefacto en el Espejo dePopa para la Proteger al V. Submarino durante la Navegación.



UPCT

4. Fuentes Energéticas

Sistema Dual de Generación de Energía Eléctrica mediante Placas Solares yDiesel-Generador.

Cargador

Resto de consumidores

• Luces de navegación

• Carretel

• Bombas de Achique

• Etc.



ASV – GENERACIÓN FOTOVOLTAICA

Mes Dias/mes kWh/m2/dia kWh/m2/mes Horas Pico (h) (kWh/mes) kWh/diaEnero 31 2,54 78,74 78,74 122,8344 3,9624

Febrero 29 3,41 98,89 98,89 154,2684 5,3196

Marzo 31 4,64 143,84 143,84 224,3904 7,2384

Abril 30 5,91 177,3 177,3 276,588 9,2196

Mayo 31 6,85 212,35 212,35 331,266 10,686

Junio 30 7,78 233,4 233,4 364,104 12,1368

Julio 31 7,82 242,42 242,42 378,1752 12,1992

Agosto 31 6,76 209,56 209,56 326,9136 10,5456

Septiembre 30 5,15 154,5 154,5 241,02 8,034

Octubre 31 3,81 118,11 118,11 184,2516 5,9436

Noviembre 30 2,75 82,5 82,5 128,7 4,29

Diciembre 31 2,47 76,57 76,57 119,4492 3,8532

Potencia FV Instalada:

1,56 Kw



UPCT

Disposición General de la Embarcación (Alzado Proa-Popa)



UPCT

Disposición General de la Embarcación (Planta)



UPCT

Disposición General de la Embarcación (Perfil)



UPCT

Disposición General de la Embarcación (3D)

Vista desde Proa(Detalle de Luces y Marcas de Navegación)

Vista desde Popa



UPCT

Disposición General de la Embarcación (Proceso Constructivo)

Disposición de la Embarcación de Superficie (Vista desde Proa)

Conexionado de la propulsión

Conexionado de las Baterías

Animación 3D



USV - CONTROL

EMBARCACIÓN PUESTO DE MANDO



USV - CONTROL



USV - BUSQUEDA



USV - COMUNICACIONES


UPCT

INDICE



3. ASV BUSCAMOS.

4. UUV BUSCAMOS.





Principales equipos del LVSCarácterísticas del UUV-UPCT

Peso del Vehículo: 160 Kg.Dimensiones: 1680 x 600 x 600 mmMax. Velocidad: 4 knots (48V), 2 knots (24V).Profundidad Operacional 300 meters.

Test Data:Peso del Vehículo 135 Kg (148.4 Kg)Lastre: 25 Kg (15 Kg). Peso Total163.4 KgDesplazamiento 163.8 dm3

Desplazamiento del lastre 1.92 dm3

Empuje Neto: 2.32 Kg

Elemento: Camera y focosSide-Scan sonarDVL

Video CameraSistema InercialModem AcousticoSensor de ProfundidadPositioning SystemRed CanOPENSubmersible Ultraviolet Nitrate AnalyzerMultiparametric Sonde (YSI-66000 V2-4)

Pluto - AEGIR


Reforma de PlutoUUV AEGIR - Pluto

• Nuevo Sistema de control.• Nueva Sensorización.

• Estructura abierta.



Nuevos Equipos Incorporados a Pluto: Unidad Inercial.

Principales equipos del LVS

AEGIR incorpora una unidad inercial, queintegra acelerómetros, giróstatos ymagnetómetros 3D, así como una Unidad deMedida Inercial (IMU). determina con precisiónla orientacion del vehículo, así como laaceleración compensada,

- Frecuencia de actualización de datos 256 Hz,- Precisión en Roll y Pitch, < 0,5º.- Precisión en Heading < 1º,- Aceleración a fondo de escala 5g.



Nuevos Equipos Incorporados a Pluto: DVL.


AEGIR incorpora el sonar DVL (Doppler VelocityLog). Mide con precision la velocidad del vehiculo.

- 600 KHz,- Precisión 1% 1mm/s- Rango de 0.3m a 110m.- Profundidad 800 mts.- 5 ping por Segundo.



Nuevos Equipos Incorporados a Pluto: Altímetro.


-Nominal 500KHz Monolithic Transducer, con 490-520KHz chirped pulse.- 6 conical at 510KHz- Rango de trabajo de 0.5m (1.6ft) a 50m (164ft).- Precisión 5 mm.



Nuevos Equipos Incorporados a Pluto: Sonar de Imágen.


• AUV guidance• Small ROV obstacle avoidance and target recognition. • Operating frequency Chirped 650kHz to 750kHz• Haz Vertical, vertical 35• Haz Horizontal 360• Range settings From 2m (6ft) to 75m (250ft)• Scan sectors User selectable up to 360 continuous



Nuevos Equipos Incorporados a Pluto: Barrido Lateral.


Barrido Lateral.Frecuencia de operación 325 Khz,Haz Horizontal 1º, Haz Vertical 50ºFormato de datos Proprietary Tritech “V4Log” Exports to XTF, TIFF,GeoTIFF & Google Earth “kMZ” mediante convertidores de formato.



Nuevos Equipos Incorporados a Pluto: USBL.


180 Covertura hemiesférica, lo que permite el seguimiento del vehiculo en aguas superficiales.

Banda de Frecuencia 20-28KHzRango de Seguimiento 500m en horizontal, 150m en verticalRango de precision +/- 0.2 metros



Nuevos Equipos Incorporados a Pluto: Cámara visión optica.


Camara: resolución SVGA, visión diurna y nocturnaSensor de Imagen: CMOS RGB de barrido progresivo de 1/4”varifocal 3-8 mm: visión de 59 -25 *, F1.4, iris tipo DC

color: 0,3 lux, B/N: 0,05 lux, F1.4

IMAGEN C



Nuevos Equipos Incorporados a Pluto: Sistema de Control.




Nuevos Equipos Incorporados a Pluto: Monitorización.




Nuevos Equipos Incorporados a Pluto: Caja de Control.




Configuracion Vehiculo Autonomo.




Configuracion Con boya de Superficie Arrastrada.




Configuracion Vehiculo Teleoperado.



UPCT

INDICE



3. USV BUSCAMOS.

4. UUV BUSCAMOS.



Arquitectura de control neuronal para navegación adaptativa de vehículos submarinos autónomos

Algoritmos neuronales de control

Self-Organization Direction Mapping Network (SODMN)

Neurocontrolador adaptativo cinemático

UPCTVEHICULOS NO TRIPULADOS DE APLICACIÓN NAVAL - PROGRAMA BUSCAMOS

Arquitectura de la red neuronal SODMNUPCT

Desired velocities of propellers



rθ

lθ

cf

Sensed angular velocities of propellers

1S 2S mS

12V

11V 1nV

Context Field

Direction Mapping Cells

[ ]kc cf +→ =Active0kc→ =Inactive

Spatial Direction Vector

rθ lθ

cf

∑

Previous Spatial PositionSensed Position in Spatial Coordinates +-

nKV1KV

2nV

1R nRMotor

Direction Vector

GO

drθ

dlθ

∏ ∏

Random movementsRandom movements

UPCT


GO signal is Inactive

Learning phaseActive signal in the learning phase

Inactive signal in the learning phase

Aprendizaje


Resultados ExperimentalesUPCT

010

20

30

0

1

2

3

4

5

6

-50

510

1520

2530

Actual position trajectory Desired position trajectory

Z [m

]

Y [m]

X [m]

X

O

0 30 60 90 120

-0,02

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

Erro

r [m

]

Time [s]

e1

e2

e3

0 30 60 90 120-4

-2

0

2

4

6

8

Vel

ocity

[m/s

]

Time [s]

vx

vy

vz

(A) (B)

(C)

Start


PROGRAMA BUSCAMOSAntonio Guerrero González1

Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT)Cartagena, 24 de Abril de 2013

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