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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES
“DISEÑO DEL PROTOTIPO DE UN SISTEMA QUE PERMITA LA ALINEACIÓN
AUTOMÁTICA DE ANTENAS DE RADIOENLACE EN COMUNICACIONES MARÍTIMAS
CON EL OBJETIVO DE ASEGURAR EL NIVEL DE SEÑAL DE LA CONEXIÓN ENTRE
LAS EMBARCACIONES Y EL PUERTO”
PROYECTO DE TITULACIÓN
PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE:
INGENIERO EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES
AUTOR:
ERICK FERNANDO VILLAMAR VILLAO
TUTOR:
ING. JENNY ARÍZAGA GAMBOA, MSI.
GUAYAQUIL – ECUADOR
2019
REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIAS Y TECNOLOGÍA
FICHA DE REGISTRO DE TESIS
TÍTULO: “Diseño del prototipo de un sistema que permita la alineación automática de
antenas de radioenlace en comunicaciones marítimas con el objetivo de asegurar el
nivel de señal de la conexión entre las embarcaciones y el puerto”
AUTOR:
Erick Fernando Villamar Villao
TUTOR: Ing. Jenny Arízaga Gamboa, MSI.
REVISOR: Ing. Luis Espín Pazmiño, Mg.
INSTITUCIÓN: Universidad de
Guayaquil FACULTAD: Ciencias Matemáticas y Físicas
CARRERA: Ingeniería en Networking y Telecomunicaciones
FECHA DE PUBLICACIÓN: Octubre del 2019 No. DE PÁGS: 110
ÁREA TEMÁTICA: Tecnologías de la Información y Telecomunicaciones
PALABRAS CLAVE: Redes, Inalámbricas, Marítimo, Hardware, Libre, Open Source.
RESUMEN: Las ventajas de contar con comunicaciones de banda ancha en el mar son
innegables: facilitan la coordinación de operaciones marítimas, propician la
comunicación de información de seguridad y bienestar, posibilitan la conectividad de
pasajeros y tripulaciones, y hoy, existen soluciones para proporcionar a los usuarios
marítimos comunicaciones rentables de alta velocidad a lo largo de las zonas costeras;
pero, debido a las dificultades inherentes de este entorno, aún no es posible aprovechar
su máximo rendimiento. En el presente trabajo se intenta identificar cómo las
variaciones en la altura y orientación de la antena producen efectos negativos en el
rendimiento de la red marítima, con el fin de proponer una solución simple y de bajo
costo que permita contrarrestar tales efectos haciendo uso de software y hardware libre,
pensada para usuarios de pequeñas embarcaciones que no estén en la capacidad de
financiar los equipos y tarifas de las redes satelitales; además de determinar su
factibilidad mediante ensayos de funcionamiento.
ADJUNTO PDF SI X NO
CONTACTO CON AUTOR: Teléfono: 0980238029
E-mail: [email protected]
CONTACTO DE LA INSTITUCIÓN: Nombre: Ab. Juan Chávez Atocha
Teléfono: (04)2307729
II
APROBACIÓN DEL TUTOR
En mi calidad de Tutor del trabajo de investigación, “Diseño del prototipo de un
sistema que permita la alineación automática de antenas de radioenlace en
comunicaciones marítimas con el objetivo de asegurar el nivel de señal de la
conexión entre las embarcaciones y el puerto” elaborado por el Sr. Erick
Fernando Villamar Villao, alumno no titulado de la Carrera de Ingeniería en
Networking y Telecomunicaciones, Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas de
la Universidad de Guayaquil, previo a la obtención del Título de Ingeniero en
Networking y Telecomunicaciones, me permito declarar que luego de haber
orientado, estudiado y revisado, la Apruebo en todas sus partes.
Atentamente,
Ing. Jenny Arízaga Gamboa, MSI.
TUTOR
III
AGRADECIMIENTO
Quisiera agradecer a mi tutora. Siempre fue
excepcionalmente generosa durante todas las
fases del proceso de titulación. Con frecuencia
se daba el tiempo de instruir y ayudar a sus
estudiantes en sus problemas. Estoy sumamente
agradecido por todas las oportunidades que me
brindó. Sin duda recordaré todas las sesiones
con mucho cariño.
Quisiera reconocer a mi supervisor. Las
innumerables horas de ayuda en la edición de
mis muchos errores mejoraron en gran medida
el contenido de este trabajo. Por la orientación
y apoyo a lo largo de este estudio, y
especialmente por la gran confianza que
depositó en mí, siempre le estaré agradecido.
Me gustaría extender mi agradecimiento a
docentes que me han ayudado en el camino de
la formación como profesional; a aquellas
personas que me permitieron aprender de cada
una de ellas a través de sus experiencias; a
quienes proporcionaron una salida de mis
preocupaciones y me ayudaron a ser más
prudente estos últimos meses. Quiero
agradecerles a todos, pero en especial a mi gran
amiga que se tomó el tiempo de escuchar mis
problemas y darles perspectiva; por animarme
y decirme siempre “Te conozco, ¡sé que puedes
hacer esto!”. Su apoyo significó más para mí de
lo que podría imaginar.
IV
DEDICATORIA
Me gustaría dedicar este logro, no sin antes
expresar mi más profunda gratitud, a mi
familia, quienes han brindado aliento e interés
durante toda mi vida; especialmente en todos
esos momentos en que los desafíos parecían
demasiados grandes para llegar a superarlos.
Debido a sus oraciones y apoyo incondicional
he podido llegar tan lejos.
A todas las personas que de una u otra manera
participaron en la realización de este resultado,
espero dejarles “algo”, así como dejan en mí.
Sin ustedes, este logro no hubiera sido posible.
V
TRIBUNAL PROYECTO DE TITULACIÓN
Ing. Fausto Cabrera Montes, MSc.
DECANO DE LA FACULTAD
CIENCIAS MATEMÁTICAS Y
FISICAS
Ing. Abel Alarcón Salvatierra, Mgs.
DIRECTOR DE LA CARRERA DE
INGENIERÍA EN NETWORKING Y
TELECOMUNICACIONES
Ing. Luis Espín Pazmiño, Mg.
PROFESOR REVISOR DEL
PROYECTO DE TITULACIÓN
Ing. Manuel Flores Morán, MSc.
PROFESOR DEL ÁREA
DESIGNADO EN EL TRIBUNAL
Ing. Jenny Arízaga Gamboa, MSI.
PROFESOR TUTOR DEL
PROYECTO DE TITULACION
Ab. Juan Chávez Atocha, Esp.
SECRETARIO TITULAR
VI
DECLARACIÓN EXPRESA
“La responsabilidad del contenido de este
Proyecto de Titulación, me corresponden
exclusivamente; y el patrimonio intelectual a la
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL”
Erick Fernando Villamar Villao
VII
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
CARRERA DE INGENIERIA EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES
“Diseño del prototipo de un sistema que permita la alineación automática de
antenas de radioenlace en comunicaciones marítimas con el objetivo de asegurar
el nivel de señal de la conexión entre las embarcaciones y el puerto”
Proyecto de Titulación que se presenta como requisito para optar por el título de
INGENIERO EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES
Autor: Erick Fernando Villamar Villao
C.I. 0950714881
Tutor: Ing. Jenny Arízaga Gamboa, MSI.
Guayaquil, octubre del 2019
VIII
CERTIFICADO DE ACEPTACIÓN DEL TUTOR
En mi calidad de Tutor del proyecto de titulación, nombrado por el Consejo
Directivo de la Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas de la Universidad de
Guayaquil.
CERTIFICO:
Que he analizado el Proyecto de Titulación presentado por el estudiante Erick
Fernando Villamar Villao, como requisito previo para optar por el título de
Ingeniero en Networking y Telecomunicaciones cuyo tema es:
“Diseño del prototipo de un sistema que permita la alineación automática de antenas
de radioenlace en comunicaciones marítimas con el objetivo de asegurar el nivel de
señal de la conexión entre las embarcaciones y el puerto”
considero aprobado el trabajo en su totalidad.
Presentado por:
Erick Fernando Villamar Villao Cédula de ciudadanía N° 0950714881
Tutor: Ing. Jenny Arízaga Gamboa, MSI.
Guayaquil, octubre del 2019
IX
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
CARRERA DE INGENIERIA EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES
Autorización para Publicación de Proyecto de Titulación en Formato Digital
1. Identificación del Proyecto de Titulación
Nombre del Alumno: Erick Fernando Villamar Villao
Dirección: El cisne, parroquia Febres Cordero.
Teléfono: 0980238029 E-mail: [email protected]
Facultad: Ciencias Matemáticas y Físicas
Carrera: Ingeniería en Networking y Telecomunicaciones
Título al que opta: Ingeniero en Networking y Telecomunicaciones
Profesor Tutor: Ing. Jenny Arízaga Gamboa, MSI.
Título del Proyecto de Titulación:
“Diseño del prototipo de un sistema que permita la alineación automática de
antenas de radioenlace en comunicaciones marítimas con el objetivo de
asegurar el nivel de señal de la conexión entre las embarcaciones y el puerto”
Tema del Proyecto de Titulación:
Tecnologías de la Información y Telecomunicaciones
2. Autorización de Publicación de Versión Electrónica del Proyecto de
Titulación
A través de este medio autorizo a la Biblioteca de la Universidad de Guayaquil y a
la Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas a publicar la versión electrónica de
esta tesis.
X
Publicación electrónica:
Inmediata X Después de un año
Firma Alumno:
Erick Fernando Villamar Villao
C.I. 0950714881
3. Forma de envío:
El texto del proyecto de titulación debe ser enviado en formato Word, como archivo
.Doc. O .RTF y .Puf para PC. Las imágenes que la acompañen pueden ser: .gif, .jpg
o .TIFF.
DVDROM CDROM X
XI
ÍNDICE GENERAL
APROBACIÓN DEL TUTOR II
AGRADECIMIENTO III
DEDICATORIA IV
TRIBUNAL PROYECTO DE TITULACIÓN V
DECLARACIÓN EXPRESA VI
CERTIFICADO DE ACEPTACIÓN DEL TUTOR VIII
ÍNDICE GENERAL XI
ÍNDICE DE CUADROS XIV
ÍNDICE DE GRÁFICOS XV
ABSTRACT XVI
RESUMEN XVII
ABREVIATURAS XVIII
INTRODUCCIÓN - 1 -
CAPÍTULO I EL PROBLEMA - 2 -
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA - 2 -
UBICACIÓN DEL PROBLEMA EN UN CONTEXTO - 2 -
SITUACIÓN CONFLICTO NUDOS CRÍTICOS - 3 -
REDES DE RADIO MARÍTIMA - 4 -
REDES SATELITALES - 5 -
REDES CELULARES - 5 -
CAUSAS Y CONSECUENCIAS - 6 -
DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA - 6 -
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA - 7 -
EVALUACIÓN DEL PROBLEMA - 8 -
OBJETIVOS - 8 -
OBJETIVO GENERAL - 8 -
OBJETIVOS ESPECÍFICOS - 8 -
ALCANCES DEL PROBLEMA - 9 -
JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA - 10 -
METODOLOGÍA DEL PROYECTO - 11 -
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO - 12 -
ANTECEDENTES DEL ESTUDIO - 12 -
WIMAX EN ENTORNOS MARÍTIMOS - 12 -
XII
TRITON - 15 -
MARE-FI - 16 -
BLUECOM+ - 17 -
LTE-MARITIME - 20 -
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA - 21 -
ARDUINO - 21 -
ARDUINO NANO - 22 -
SOFTWARE ARDUINO - 23 -
SOFTWARE PROCESSING - 26 -
SERVOMOTOR - 29 -
SENSORES DE MEDICIÓN INERCIAL - 30 -
MÓDULO MPU6050 - 31 -
SOFTWARE LIBRE - 35 -
HARDWARE LIBRE - 37 -
SEIS GRADOS DE LIBERTAD - 39 -
MOVIMIENTOS Y OSCILACIÓN DEL BARCO - 41 -
FUNDAMENTACIÓN LEGAL - 43 -
REGLAMENTO DE LAS TELECOMUNICACIONES INTERNACIONALES - 44 -
CONSTITUCIÓN DE LA REPÚBLICA DEL ECUADOR - 44 -
CÓDIGO ORGÁNICO DE ECONOMÍA SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E
INNOVACIÓN - 45 -
DECRETO EJECUTIVO N° 10014 - 48 -
PREGUNTA CIENTÍFICA A CONTESTARSE - 49 -
DEFINICIONES CONCEPTUALES - 49 -
CAPÍTULO III PROPUESTA TECNOLÓGICA - 50 -
ANÁLISIS DE FACTIBILIDAD - 51 -
FACTIBILIDAD OPERACIONAL - 52 -
FACTIBILIDAD TÉCNICA - 53 -
FACTIBILIDAD LEGAL - 53 -
FACTIBILIDAD ECONÓMICA - 53 -
ENTREGABLES DEL PROYECTO - 54 -
ETAPAS DE LA METODOLOGÍA DEL PROYECTO - 55 -
CRITERIOS DE VALIDACIÓN DE LA PROPUESTA - 56 -
PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS - 59 -
ANÁLISIS DE VARIABLE ROLL - 64 -
XIII
ANÁLISIS DE VARIABLE PITCH - 66 -
ANÁLISIS DE VARIABLE YAW - 68 -
CAPÍTULO IV CRITERIOS DE ACEPTACIÓN DEL PRODUCTO O SERVICIO - 70 -
CONCLUSIONES - 71 -
RECOMENDACIONES - 72 -
ANEXO I MODELO CONCEPTUAL DE PROPUESTA - 73 -
ANEXO II TASAS DE DATOS DE SERVICIOS MARÍTIMOS - 74 -
ANEXO III ENTREVISTA REALIZADA A EXPERTO DEL ÁREA - 77 -
ANEXO IV ANALISÍS ESTADISTICO EN SPSS - 81 -
ANEXO V CRONOGRAMA DEL PROYECTO - 85 -
BIBLIOGRAFÍA - 86 -
XIV
ÍNDICE DE CUADROS
CUADRO NO. 1: EJEMPLOS DE PRODUCTOS DE SERVICIOS DE INTERNET SATELITAL - 5 -
CUADRO NO. 2: CAUSAS Y CONSECUENCIAS - 6 -
CUADRO NO. 3: DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA - 7 -
CUADRO NO. 4: COMPARACIÓN DE USO DE ANCHO DE BANDA ENTRE LOS PROTOCOLOS - 14 -
CUADRO NO. 5: ELEMENTOS DE LA BARRA DE MENÚ DE ARDUINO IDE - 24 -
CUADRO NO. 6: ELEMENTOS DEL EDITOR DE CÓDIGO DE ARDUINO IDE - 25 -
CUADRO NO. 7: ELEMENTOS DEL EDITOR DE CÓDIGO DE PROCESSING IDE - 27 -
CUADRO NO. 8: VARIANTES DEL PROYECTO RESPALDADOS POR PROCESSING FOUNDATION - 28 -
CUADRO NO. 9: CONEXIÓN SERVO - ARDUINO - 29 -
CUADRO NO. 10: COLORES DE TERMINALES DE SERVOMOTORES POR FABRICANTES - 30 -
CUADRO NO. 11: FUNCIÓN DE LOS PINES DEL MPU6050 - 32 -
CUADRO NO. 12: FÓRMULA TRIGONOMÉTRICA PARA EL CÁLCULO DE ÁNGULOS - 33 -
CUADRO NO. 13: LA DEFINICIÓN DE CÓDIGO ABIERTO - 36 -
CUADRO NO. 14: LA DEFINICIÓN DE HARDWARE ABIERTO - 37 -
CUADRO NO. 15: MOVIMIENTOS DE TRANSLACIÓN DE UN CUERPO - 40 -
CUADRO NO. 16: MOVIMIENTOS DE ROTACIÓN DE UN CUERPO - 40 -
CUADRO NO. 17: MOVIMIENTOS DE TRANSLACIÓN DE UN BARCO - 42 -
CUADRO NO. 18: MOVIMIENTOS DE ROTACIÓN DE UN BARCO - 43 -
CUADRO NO. 19: PARTES DEL SISTEMA PROPUESTO - 51 -
CUADRO NO. 20: PROCESOS DE GESTIÓN DE PROYECTOS - 55 -
CUADRO NO. 21: PRUEBA DE NORMALIDAD A VARIABLES ANALIZADAS - 60 -
CUADRO NO. 22: COMPARACIÓN BARCO_ANTENA DE LA VARIABLE ROLL DEL ENSAYO 1 - 65 -
CUADRO NO. 23: COMPARACIÓN BARCO_ANTENA DE LA VARIABLE ROLL DEL ENSAYO 2 - 65 -
CUADRO NO. 24: COMPARACIÓN BARCO_ANTENA DE LA VARIABLE PITCH DEL ENSAYO 1 - 67 -
CUADRO NO. 25: COMPARACIÓN BARCO_ANTENA DE LA VARIABLE PITCH DEL ENSAYO 2 - 67 -
CUADRO NO. 26: COMPARACIÓN BARCO_ANTENA DE LA VARIABLE YAW DEL ENSAYO 1 - 69 -
CUADRO NO. 27: COMPARACIÓN BARCO_ANTENA DE LA VARIABLE YAW DEL ENSAYO 2 - 69 -
CUADRO NO. 28: INFORME DE ACEPTACIÓN - 70 -
CUADRO NO. 29: INFORME DE APROBACIÓN - 70 -
XV
ÍNDICE DE GRÁFICOS
GRÁFICO NO. 1: VARIACIONES EN LA SEÑAL RECIBIDA A CAUSA DE LAS OLAS DEL MAR - 2 -
GRÁFICO NO. 2: POTENCIA DE RADIACIÓN ISOTRÓPICA EQUIVALENTE - 4 -
GRÁFICO NO. 3: TRANSMISOR A 185M DE ALTURA DEL EDIFICIO PORTUARIO DE SINGAPUR - 13 -
GRÁFICO NO. 4: ARQUITECTURA DEL PROYECTO TRITON - 15 -
GRÁFICO NO. 5: NOTIFICACIÓN DE RETIRO DE LA TECNOLOGÍA WIMAX POR PARTE DE CISCO - 16 -
GRÁFICO NO. 6: MARBED EN LA INFRAESTRUCTURA DE INVESTIGACIÓN DEL TEC4SEA - 17 -
GRÁFICO NO. 7: ARQUITECTURA DEL PROYECTO BLUECOM+ - 18 -
GRÁFICO NO. 8: TEST DE VELOCIDAD REALIZADAS DURANTE LAS PRUEBAS DE BLUECOM+ - 19 -
GRÁFICO NO. 9: ARQUITECTURA DEL CONCEPTO LTE-MARÍTIMO - 20 -
GRÁFICO NO. 10: MODELOS ARDUINO MÁS CONOCIDOS - 22 -
GRÁFICO NO. 11: PINOUT ARDUINO NANO - 22 -
GRÁFICO NO. 12: VENTANA DEL ENTORNO DE DESARROLLO INTEGRADO DE ARDUINO - 23 -
GRÁFICO NO. 13: VENTANA DEL ENTORNO DE DESARROLLO INTEGRADO DE PROCESSING - 26 -
GRÁFICO NO. 14: INFLUENCIA DE PROCESSING DE/A OTROS SISTEMAS DE CODIFICACIÓN - 27 -
GRÁFICO NO. 15: DIRECCIÓN DE LOS EJES EN EL MÓDULO MPU6050 - 31 -
GRÁFICO NO. 16: MEDICIÓN DE ORIENTACIÓN MEDIANTE FILTRO COMPLEMENTARIO - 35 -
GRÁFICO NO. 17: SEIS GRADOS DE LIBERTAD - 39 -
GRÁFICO NO. 18: 3DOF VS 6DOF EN VR - 41 -
GRÁFICO NO. 19: SEIS GRADOS DE LIBERTAD DEL BARCO - 42 -
GRÁFICO NO. 20: ENSAYO DE FUNCIONAMIENTO NÚMERO 1 - 56 -
GRÁFICO NO. 21: ENSAYO DE FUNCIONAMIENTO NÚMERO 2 - 57 -
GRÁFICO NO. 22: BARCAZAS PARA OBRA AEROVÍA DE LA RUTA GUAYAQUIL-DURÁN - 58 -
GRÁFICO NO. 23: VARIABLES DE MOVIMIENTO DEL BARCO DEL ENSAYO 1 - 62 -
GRÁFICO NO. 24: VARIABLES DE MOVIMIENTO DEL BARCO DEL ENSAYO 2 - 62 -
GRÁFICO NO. 25: VARIABLES DE MOVIMIENTO DE LA ANTENA DEL ENSAYO 1 - 63 -
GRÁFICO NO. 26: VARIABLES DE MOVIMIENTO DE LA ANTENA DEL ENSAYO 2 - 63 -
GRÁFICO NO. 27: COMPARACIÓN BARCO_ANTENA DE LA VARIABLE ROLL DEL ENSAYO 1 - 64 -
GRÁFICO NO. 28: COMPARACIÓN BARCO_ANTENA DE LA VARIABLE ROLL DEL ENSAYO 2 - 64 -
GRÁFICO NO. 29: COMPARACIÓN BARCO_ANTENA DE LA VARIABLE PITCH DEL ENSAYO 1 - 66 -
GRÁFICO NO. 30: COMPARACIÓN BARCO_ANTENA DE LA VARIABLE PITCH DEL ENSAYO 2 - 66 -
GRÁFICO NO. 31: COMPARACIÓN BARCO_ANTENA DE LA VARIABLE YAW DEL ENSAYO 1 - 68 -
GRÁFICO NO. 32: COMPARACIÓN BARCO_ANTENA DE LA VARIABLE YAW DEL ENSAYO 2 - 68 -
XVI
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
CARRERA DE INGENIERIA EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES
“Design of the prototype of a system that allows the automatic alignment of
radio-link antennas in maritime communications with the objective of ensuring
the signal level of the connection between the vessels and the port”
ABSTRACT
The advantages of having broadband communications at sea are undeniable:
facilitates the coordination of maritime operations, enables the communication
safety and welfare information, allows the connectivity of passengers and crews,
and today, solutions exist to provide maritime users with cost-effective high-speed
communications along coastal areas; but, due to the inherent difficulties of this
environment, it is not yet possible to take advantage of its maximum performance.
This paper attempts to identify how variations in antenna height and orientation
produce negative effects on the performance of the maritime network, in order to
propose a simple and low-cost solution to counteract such effects through the use
of free software and hardware, designed for users of small vessels that are not able
to finance the equipment and tariffs of satellite networks; in addition to determining
the feasibility by testing their operation.
Author: Erick Fernando Villamar Villao
Tutor: Ing. Jenny Arízaga Gamboa, MSI.
XVII
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
CARRERA DE INGENIERIA EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES
“Diseño del prototipo de un sistema que permita la alineación automática de
antenas de radioenlace en comunicaciones marítimas con el objetivo de asegurar
el nivel de señal de la conexión entre las embarcaciones y el puerto”
RESUMEN
Las ventajas de contar con comunicaciones de banda ancha en el mar son
innegables: facilitan la coordinación de operaciones marítimas, propician la
comunicación de información de seguridad y bienestar, posibilitan la conectividad
de pasajeros y tripulaciones, y hoy, existen soluciones para proporcionar a los
usuarios marítimos comunicaciones rentables de alta velocidad a lo largo de las
zonas costeras; pero, debido a las dificultades inherentes de este entorno, aún no es
posible aprovechar su máximo rendimiento. En el presente trabajo se intenta
identificar cómo las variaciones en la altura y orientación de la antena producen
efectos negativos en el rendimiento de la red marítima, con el fin de proponer una
solución simple y de bajo costo que permita contrarrestar tales efectos haciendo uso
de software y hardware libre, pensada para usuarios de pequeñas embarcaciones
que no estén en la capacidad de financiar los equipos y tarifas de las redes
satelitales; además de determinar su factibilidad mediante ensayos de
funcionamiento.
Autor: Erick Fernando Villamar Villao
Tutor: Ing. Jenny Arízaga Gamboa, MSI.
XVIII
ABREVIATURAS
ETA Estimated Time of Arrival (Tiempo estimado de llegada)
ICS International Chamber of Shipping
OMI Organización Marítima Internacional
AIS Automatic Identification System (Sistema de Identificación
Automática)
SMSSM Global Maritime Distress Safety System (Sistema Mundial de
Socorro y Seguridad Marítimos)
MRCP Maritime Radio Communications Plan (Plan de Comunicaciones de
Radio Marítima)
IALA International Association of marine aids to navigation and
Lighthouse Authorities (Asociación Internacional de Ayudas a la
Navegación Marítima y Autoridades de Faros
OSI Open Source Initiative (Iniciativa para el Código Abierto)
OSHW Open Source Hardware (Hardware de Código Abierto)
DoF Degrees of Freedom (Grados de libertad)
IMU Inertial Measurment Units (Sensores de Medición Inercial)
IDE Integrated Development Environment (Entorno de Desarrollo
Integrado)
- 1 -
INTRODUCCIÓN
Las redes marítimas se han basado principalmente en comunicaciones por voz, a
través de las bandas de Alta Frecuencia (HF)1 para comunicaciones de barco a
barco en altamar, en la banda de Muy Alta Frecuencia (VHF)2 para
comunicaciones con las estaciones costeras, y de conexiones satelitales cuando
se requiere de comunicaciones de datos; pero, al ser esta última una tecnología
muy costosa no siempre está al alcance de los usuarios marítimos de los
segmentos más humildes, como por ejemplo los usuarios de la industria pesquera.
Las limitaciones de los sistemas de comunicación tradicionales junto al enorme
crecimiento de nuevos servicios y tecnologías asociadas al mar impulsaron la
investigación de distintos métodos para proporcionar comunicaciones rentables y
de alta velocidad a lo largo de las costas, es así como en los últimos años han
surgido novedosas soluciones para hacer frente a la creciente demanda de datos
asociados a una industria con gran potencial económico.
Estas soluciones requieren de sistemas mecánicos y electrónicos que permitan la
estabilización de las antenas de radioenlace, ya que los nodos de comunicación
están expuestos a las condiciones del mar que afectan en gran medida las
trayectorias para establecer los enlaces de red. Sin embargo, tales sistemas son
voluminosos y caros, fuera del alcance de los pescadores, quienes una vez que
superan la cobertura celular quedan completamente incomunicados a tierra.
El presente documento busca una solución simple y de bajo costo que contrarreste
la desalineación de las antenas a causa del movimiento del mar, de la siguiente
manera: En el Capítulo I se describe el problema; de donde surge, y por qué la
importancia de abordarlo. El Capítulo II expone las principales tecnologías de
redes marítimas de banda ancha disponibles, además de introducir definiciones
conceptuales para la comprensión del trabajo. En el capítulo III se proporciona una
descripción del tipo de solución que se propone, además de los resultados de las
mediciones de su factibilidad. Y el Capítulo IV finaliza con las conclusiones y
recomendaciones para futuros trabajos.
1 Banda de frecuencias ubicada en el rango de 3 MHz a 30 MHz. 2 Banda de frecuencias ubicada en el rango de 30 MHz a 300 MHz.
- 2 -
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Ubicación del Problema en un Contexto
Normalmente para tener un acceso inalámbrico de banda ancha basta con la
instalación de Estaciones Base (BS)3 o puntos de acceso (AP)4 en un lugar fijo,
pero en un escenario marítimo esto se convierte en una tarea especialmente
complicada debido a que los equipos de comunicación se deben instalar en
elementos flotantes que los exponen a desafíos únicos, no presentes en las
comunicaciones terrestres.
Gráfico No. 1: Variaciones en la señal recibida a causa de las olas del mar
Elaboración: Chee-Wei Ang; Su Wen
Fuente: Signal strength sensitivity and its effects on routing in maritime wireless networks
Un hecho simple que podemos observar es que cuando las embarcaciones se
encuentran sobre la superficie del mar no permanecen estables: el viento, el oleaje
y otros factores naturales provocan que el barco se incline de lado a lado, se
levante y se hunda, e incluso que gire sobre su propio eje cuando están anclados.
3 Estaciones distribuidas para efectuar los enlaces a alguna central de conmutación. 4 Nodo que permite la conexión entre dispositivos mediante un estándar inalámbrico.
- 3 -
Estos cambios contribuyen a una continua variación en los ajustes de altura
(elevación)5 y orientación (azimut)6 de la antena, causando una conexión débil e
inestable, llegando incluso a provocar la pérdida del enlace resultado de la
constante desalineación entre el transmisor y el receptor.
Si el escenario es una red en malla que utilice un protocolo dinámico para el
descubrimiento de rutas, la inestabilidad en la intensidad de la señal puede causar
un gran consumo de ancho de banda debido a los constantes mensajes de
actualización acerca de los cambios en la red, consecuencia de las frecuentes
roturas del enlace y por lo tanto, reduciendo significativamente su rendimiento.
Si bien las antenas omnidireccionales eludirían este inconveniente, su uso supone
perdidas por propagación multitrayecto debido al estado incierto de las señales
que rebotan en el mar llegando al receptor desfasadas, causando retardos en el
enlace que está transmitiendo. Además, las antenas omnidireccionales implican
una menor ganancia, la cual es necesaria para superar la gran pérdida de
trayectoria presente en los escenarios marinos.
Un sistema que permita estabilizar los enlaces inalámbricos manteniendo la
alineación del transmisor y receptor constante, permite el uso de antenas
direccionales de alta ganancia con ancho de haz estrecho, dando la posibilidad de
cubrir mayores distancias en las comunicaciones marítimas.
Situación Conflicto Nudos Críticos
A pesar de que las redes cableadas ofrecen un mejor rendimiento, existen
circunstancias en las que es muy difícil o incluso imposible instalar el medio físico
necesario para la transmisión, como sucede con los navíos, además de que deben
presentar mayor resistencia al viento, arena, corrosión y muchas otras condiciones
que se presentan cerca de ambientes marinos; por lo que las conexiones
inalámbricas se convierten en las únicas alternativas viables para tener acceso a
comunicaciones de banda ancha en el mar.
5 Movimiento vertical de una antena de radioenlace. 6 Movimiento horizontal de una antena de radioenlace.
- 4 -
Redes de radio marítima
Cuando es necesario establecer una comunicación de barco a barco, o de barco
a costa, se lo realiza haciendo uso de canales analógicos de muy alta frecuencia
(VHF), así como de ultra alta frecuencia (UHF)7. La razón principal es que la
perdida de trayectoria en estas bandas de frecuencias es menor, por lo que en
comparación con un nodo que haga uso de frecuencias más altas, la señal puede
llegar más lejos usando la misma potencia (EIRP)8.
Un corolario es que un nodo puede cubrir la misma distancia con un EIRP más
pequeño. Un EIRP más pequeño se puede traducir en el uso de una antena de
menor ganancia. Una menor ganancia de antena significa un haz de radiación más
amplio. Y una antena de haz amplio puede ser ventajoso en el entorno marino
porque el movimiento del mar causa fluctuaciones significativas en una antena
directiva si se usa un haz estrecho, pero con el impedimento de tener que hacer
uso de un menor ancho de banda, pues aunque estos canales son capaces de
transmitir a largas distancias, solo admiten servicios de voz.
Gráfico No. 2: Potencia de Radiación Isotrópica Equivalente
Elaboración: http://www.samanehsabz.com/
Fuente: http://www.samanehsabz.com/ موثر-یزوتروپیکا-یتابش-توان -eirp/
Tanto VHF como UHF son muy importantes para apoyar las operaciones
marítimas, especialmente de seguridad y rescate. Sistemas como el de
Identificación Automática (AIS)9 y el Sistema Mundial de Socorro y Seguridad
Marítimos (SMSSM)10 hacen uso de este rango de frecuencia, y a pesar de que
7 Banda de frecuencias ubicada en el rango de 300 MHz a 3 GHz. 8 Es la suma de la potencia del radio y la ganancia de la antena restando las atenuaciones. 9 Sistema que emite datos captados a bordo hacia otros barcos dentro del alcance VHF. 10 Sistema de alertas barco - tierra para operaciones de salvamento marítimo.
- 5 -
tienen una cobertura bastante extensa, esto es gracias a que solo requieren un
pequeñísimo ancho de canal.
Redes Satelitales
Cuando se requiere acceder a internet o intercambiar una mayor cantidad de
datos, suele hacerse uso de las comunicaciones por satélite debido a que, con
excepción de las zonas polares, pueden cubrir la mayor parte de la superficie del
planeta y proporcionar acceso a una gran cantidad de dispositivos. Sin embargo,
una debilidad de su uso en aplicaciones de red es el largo retraso de propagación
que existe entre dos estaciones terrestres, incluso entre estaciones cercanas,
afectando significativamente las comunicaciones en tiempo real. Pero el mayor
inconveniente recae en los elevados cargos de comunicación, operación y
mantenimiento que conllevan, haciendo de la comunicación satelital una
alternativa adecuada para complementar las tecnologías terrestres,
principalmente en lo que a cobertura se refiere.
Cuadro No. 1: Ejemplos de productos de servicios de internet satelital
Solución Satelital Data Rate
(kbps)
Costo / Mb
(USD)
Costo / Equipos
(USD)
FleetBroadband ≤ 432 0.15 ~ 20 5,100 ~ 13,499
Thales VesseLINK 700 0.60 ~ 16.50 7,395
KH Mini VSAT ≤ 4000 49 ~ 14999 16,995 ~ 74,995
Elaboración: Erick Villamar Fuente: http://www.groundcontrol.com/
Redes Celulares
Cuando las embarcaciones se encuentran cerca de la costa pueden beneficiarse
de los enlaces de sistemas móviles celulares instaladas cerca de los límites
terrestre; sin embargo, el tremendo aumento continuo de la velocidad de datos a
lo largo de la evolución de la generación celular desde la 2ª (GSM) hasta la 3ª
- 6 -
(UMTS) y ahora hasta la 4ª generación (LTE) conlleva un costo. Las razones
principales para aumentar la tasa de datos son la densificación de las celdas y el
ancho de banda adicional utilizado por enlace. Juntos disminuyen las zonas de
cobertura en tierra y, por lo tanto, han reducido el tamaño de las celdas para los
usuarios en el mar.
Causas y Consecuencias
Aunque el océano es grande, la mayoría de las actividades humanas tienen lugar
en áreas acuáticas del litoral. Los barcos se gestionan cada vez más con
asistencia costera: las condiciones de carga, el rendimiento de los motores y el
consumo de combustible, se transmiten periódicamente de barco a costa; y la
utilización de la banda ancha para transmitir la documentación de entrada y salida
de los puertos también se está haciendo habitual.
Cuadro No. 2: Causas y consecuencias
Causas Consecuencias
Estado incierto de la
superficie del mar Continuo Balanceo de las embarcaciones
Perturbaciones en los
nodos de comunicación
Variaciones y cambios constantes de la altura y
orientación de los enlaces de comunicación
Inestabilidad del enlace Bajo rendimiento de la conexión y frecuentes
roturas del enlace
Elaboración: Erick Villamar Fuente: Erick Villamar
Delimitación del Problema
Dada la amplitud de potencialidad del sistema que se propone, no sería posible
una comprobación de todas sus posibles aplicaciones. Por ello, se centrará su
análisis hacia el sector pesquero, dado que, por el contexto de este trabajo,
constituye un primer campo de interés para la aplicación de la propuesta. Esta
- 7 -
acotación también limita el alcance de la verificación, pues la naturaleza de las
actividades desarrollada por estos usuarios les supone pasar largas estancias en
fondeo11, faenando12 en zonas alrededor de las costas que les puedan brindar un
buen porcentaje de captura, quedando las embarcaciones, y por lo tanto las
antenas instaladas en ellas, expuestas al problema planteado.
Cuadro No. 3: Delimitación del Problema
Campo Sector pesquero
Área Radioenlaces a lo largo de las zonas costeras
Aspecto Desalineación de las antenas debido al movimiento de las
embarcaciones producida por el mar
Tema
Diseño del prototipo de un sistema que permita la alineación
automática de antenas de radioenlace en comunicaciones
marítimas
Elaboración: Erick Villamar Fuente: Erick Villamar
Vale resaltar que, si bien esta condicionante permite medir la factibilidad de este
trabajo, esto no es impedimento para comprobaciones en otros ámbitos, ya que
es posible ajustar el campo de aplicación.
Formulación del Problema
¿Cómo contribuiría a los usuarios de aquellos sectores que no pueden costear el
uso y cargos que conllevan los equipos de redes satelitales, un sistema simple y
de bajo costo que, mediante el uso de software y hardware libre, ayude a reducir
el riesgo de desconexión por desalineación de las antenas de radioenlaces
provocada por los movimientos de la embarcación al encontrarse sobre la
superficie del mar?
11 Dejar quieta una embarcación con anclas o pesos. 12 Hacer los trabajos de la pesca marina desde la embarcación.
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Evaluación del Problema
Se han logrado obtener los siguientes aspectos con la finalidad de obtener una
evaluación del problema:
● Delimitado: Dado que afecta a los usuarios pesqueros (población),
quienes pasan largos periodos (tiempo) de fondeo a lo largo de la costa (espacio).
● Claro: Pues la información necesaria que se requiere para abordarlo se
encuentra en factores a los que normalmente estamos expuestos.
● Evidente: Ya que se trata de un fenómeno del que fácilmente podemos
asimilar sus efectos a través de la observación.
● Original: Al introducir la utilidad que nos brindan el uso de herramientas
libres para afrontarlo.
● Factible: Debido a que se tiene como objetivo brindar una posible solución
de bajo costo para eliminar o reducir el problema.
● Variables: A consecuencia de lo claro y evidente del problema, se puede
identificar las variables con claridad.
Objetivos
Objetivo general
● Diseñar el prototipo de un sistema que permita la alineación automática de
antenas de radioenlace en comunicaciones marítimas para asegurar el nivel de
señal de la conexión entre las embarcaciones y el puerto.
Objetivos específicos
● Analizar y comprender como inciden los movimientos y condiciones del
mar en la confiabilidad de las comunicaciones inalámbricas.
● Diseñar un modelo de elaboración del sistema que haga uso de
herramientas de código abierto o libres.
● Elaborar el prototipo del sistema que mantenga el correcto ajuste del
azimut y elevación de las antenas inalámbricas expuestas a las condiciones
marítimas.
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Alcances del problema
Realizar una conexión banda ancha para transferir datos de forma inalámbrica, en
un entorno previsto a mar abierto, a lo largo de las zonas costeras, entre un barco
y una instalación en tierra, puede parecer sencillo porque es fácil tener línea de
vista, pero se plantean una gran cantidad de problemas que normalmente no son
importantes en otros ambientes y que lo hacen de las zonas más complicadas
para los enlaces de radio.
Una red en un entorno marítimo difiere de las terrestres en que las comunicaciones
de tierra a barco, e incluso entre embarcaciones, son mucho más susceptibles a
las condiciones de la superficie del mar, tales como: las mareas, las condiciones
atmosféricas, la temperatura, la humedad y la velocidad del viento. Además, la
altura y el ángulo de las antenas instaladas sobre un barco varían rápidamente
con las olas del océano. Todos, complejos factores que varían con el tiempo, y
que requieren diferentes tipos de investigación.
Este trabajo en ningún momento pretende:
• Abordar todas las dificultades de las redes banda ancha marítimas.
• Buscar o desarrollar una solución omnímoda.
• Crear o implementar un producto final.
Este trabajo busca:
• Motivar la investigación tecnológica en el ámbito marítimo.
• Proponer una solución que podría dar lugar a un producto o servicio.
• Diseñar un prototipo que permita validar la idea la propuesta.
Por lo que el alcance estará enfocado en proponer una forma simple y económica
de abordar el problema planteado, haciendo uso de aplicaciones y herramientas
libres para que, con los efectos del movimiento del mar que afectan la dirección
de las antenas de radioenlaces minimizados o eliminados, dar entrada a nuevas
investigaciones que permitan abordar otros ajustes utilizando técnicas similares.
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Justificación e importancia
Históricamente la pesca constituye un importante pilar fundamental para el
crecimiento sostenible de cualquier país en desarrollo, son fuentes importantes de
alimentos, puestos de trabajo e ingresos en varias comunidades costeras rurales.
Las estadísticas oficiales indican que 59,6 millones de personas participaron (a
tiempo completo, tiempo parcial u ocasionalmente) en el sector primario de la
pesca en el año 2016 (FAO, 2018).
Esta actividad supone pasar largas estancias de tiempo en el mar faenando,
realizando tareas extenuantes, ya que las ganancias de la mayoría de los
pescadores se basan en el porcentaje del valor de la captura. Y pese a que esta
cantidad depende distintos factores, uno de los principales se contribuye a los
constantes cambios del ecosistema marítimo. Poder acceder a las actualizaciones
electrónicas que brindan las entidades de investigación resultaría especialmente
útil para aumentar la rentabilidad de la pesca.
Recientemente, la pesca artesanal se ha convertido en un enganche turístico.
Turistas coordinan recorridos a bordo de embarcaciones artesanales que duran
unas ocho horas en zonas de pesca ubicadas a unas tres o cuatro millas de la
costa (Pesca artesanal, un enganche turístico, 2019).
Con frecuencia, el mar también se convierte en un terreno inseguro. En muchos
países, las tasas de lesiones y fallecimientos en este sector son muy superiores a
la media de otros sectores (OIT, 2019). La seguridad y el riesgo varían
dependiendo del tamaño del barco, el tipo de operación pesquera, el área de
operación, el equipo que se lleva y el trabajo para cada pescador; pero entre
muchos otros, los riesgos más comunes son:
• Condiciones marítimas y climáticas extremas.
• Riesgo de una fatalidad o lesión debido al uso de equipo y herramientas
de pesca.
• Largas horas de trabajo, temperaturas extremas, condiciones climáticas
rigurosas.
• Riesgo de vuelco por la inestabilidad de las embarcaciones, enganche de
redes de arrastre o cruce de olas.
• Ataques por animales marinos peligrosos.
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Para el rescate marítimo se requieren servicios de comunicación en tiempo real y
de alta confiabilidad para permitir la coordinación entre las distintas entidades
socorristas; además, las comunicaciones de video en tiempo real serían muy útiles
para realizar operaciones de rescate de una manera mucho más efectivas.
Las comunicaciones por satélite podrían cumplir estos objetivos. Pero el principal
problema que presentan para los usuarios del sector pesquero, son los grandes
gastos que conllevan. La captura debería ser lo suficientemente grande como para
permitir a los propietarios de embarcaciones obtener ganancias después de pagar
los equipos que se requieren y cubrir los elevados costos por tasas de datos. Así
que esta fuera de discusión para este segmento.
A poca distancia de la costa, podrían beneficiarse de las redes celulares que
existen para los usuarios en tierra. No obstante, esta alternativa se rige a la
cobertura que brinden las estaciones base cercanas al litoral.
La pesca es una de las ocupaciones más arduas y peligrosas, la construcción de
redes de comunicaciones marítimas de banda ancha es de gran importancia para
mejorar sus condiciones de trabajo, así como de brindar una alternativa
económica que permita el uso antenas de mayor ganancia para aumentar su
rango de cobertura de tal forma que no solo se asegure su escala de producción
sino también su seguridad.
Metodología del Proyecto
La metodología utilizada para el desarrollo del proyecto se encuentra descrita en
el Project Management Body of Knowledge (PMBOK®), una guía supervisada por
Instituto de Administración de Proyectos (PMI) que consta de estándares y
mejores prácticas para el desarrollo y gestión de proyectos, basados en diez
áreas: Integración, Alcance, Hora, Costo, Calidad, Obtención, Recursos humanos,
Comunicaciones, Gestión de riesgos, y Gestión de los interesados (Project
Management Institute, Inc. , 2019 ).
- 12 -
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
ANTECEDENTES DEL ESTUDIO
Múltiples trabajos de investigación han estado persiguiendo soluciones que
permitan comunicaciones marítimas de alta velocidad de bits. Se llegó a
considerar WiMAX como la candidata para superar la dependencia de satélites
para el acceso a internet en áreas oceánicas remotas gracias al amplio
desempeño que venía demostrando en entornos terrestres, sin embargo, el
rendimiento de las redes WiMAX en entornos marinos no era el más optimo debido
a las condiciones de propagación de la radio.
WiMAX en entornos marítimos
Debido al gran interés en desplegar los equipos de interoperabilidad mundial para
acceso por microondas (WiMAX)13 para brindar comunicación inalámbrica de
banda ancha en los puertos marítimos, el Instituto para la Investigación Infocomm
ubicado en Singapur presentó una investigación con mediciones experimentales
para descubrir cómo cambia la perdida de trayectoria con respecto a la altura de
la antena. En tres escenarios diferentes, con antenas transmisoras en alturas de
4 m, 76 m, y 185 m montadas en el edificio de la Autoridad Portuaria de Singapur
a 1 km de la costa, se pudo constatar que cuanto mayor era la distancia, la señal
recibida se atenuaba a una tasa de más del doble dependiendo de la altura de la
antena ajustándose razonablemente bien al modelo de propagación de dos rayos.
Estos datos resultaban cruciales pues, junto con la recomendación que la Unión
Internacional de Telecomunicaciones ( [ITU], 2003 ) proporcionaba para el modelo
de propagación en medios marinos, ayudarían a determinar los aspectos
requeridos para la planificación de la red y para alcanzar un rango de
comunicación considerable en estos ambientes (Joe, y otros, 2007).
13 Tecnología de última milla basada en el estándar 802.16 para la transmisión de datos utilizando ondas de radio.
- 13 -
Gráfico No. 3: Transmisor a 185m de altura del edificio Portuario de Singapur
Elaboración: Joe, J.; Hazra, S. K.; Toh, S. H.; Tan, W. M.; Shankar, J.; Hoang, V. D.;
Fujise, M. Fuente: Path Loss Measurements in Sea Port for WiMAX
Para la optimización del estándar WiMAX sobre el mar se realizó un estudio de
esta tecnología en una banda que permita una mayor potencia de emisión, y que
sea libre para su uso. Este escenario se realizó en la banda de 5 GHz,
particularmente de 5.725 GHz a 5.850 GHz (ya que en muchos países se permite
una mayor potencia de emisión, lo cual reduce el costo de implementación), en
- 14 -
rutas con línea de vista (LOS)14 y sin línea de vista (NLOS)15, transmitiendo desde
una antena instalada en una boya y recibiendo la señal en un receptor a bordo de
un barco. A distancias cortas y en LOS, la atenuación de la señal es cercana a lo
esperado en el modelo de dos rayos, sin embargo, cuanto mayor es la distancia,
la señal se atenúa a una velocidad mucho mayor, limitando considerablemente la
zona de cobertura de WiMAX. (Reyes-Guerrero, Bruno, Mariscal, & Medouri,
2011).
En los desafiantes entornos marinos, uno de los problemas más importantes era
la correcta elección de un protocolo de enrutamiento que permita una
comunicación eficiente, confiable y asequible en los barcos. Con este propósito
como objetivo principal se presentó el protocolo de enrutamiento Marítimo de Dos
Estados (Maritime Two-State MTS), el cual no requiere de la capa Física (Capa 1
del modelo de referencia OSI), ni de la capa de Control de acceso al Medio (Capa
2 del modelo de referencia OSI). Su funcionamiento se basa en una red de barcos
de Múltiples Saltos, en el que cada barco intercambia información de enrutamiento
con sus vecinos inmediatos (estado de balizamiento), y se predice la ubicación
futura de cada uno de ellos en la tabla de enrutamiento (Ejaz, y otros, 2013).
Cuadro No. 4: Comparación de uso de ancho de banda entre los protocolos
Elaboración: Joe, J.; Hazra, S. K.; Toh, S. H.; Tan, W. M.; Shankar, J.; Hoang, V. D.;
Fujise, M. Fuente: Path Loss Measurements in Sea Port for WiMAX
Los resultados demostraron que el protocolo MTS presentaba un menor retardo
de extremo a extremo promedio y conteo de saltos además de un menor consumo
14 Trayecto de la señal sin presencia de obstáculos entre un transmisor y un receptor. 15 Trayecto de la señal parcialmente obstruido entre un transmisor y un receptor.
- 15 -
de ancho de banda y gastos generales en comparación con otros protocolos
(DSDV, DYMO, M-AOMDV, etc), con un rango de cobertura que va desde los 1 a
10 km en vías de embarque estrechas, pero para aguas más abiertas es necesario
ampliar la cobertura mediante la comunicación satelital, lo cual aumentaría el
costo de la red. (Ejaz, y otros, 2013).
TRITON
El proyecto TRI-media Telematic Oceanographic Network (TRITON) consiste en
crear una red en malla 802.16 entre barcos y boyas que puedan enrutar y
retransmitir los paquetes para otros nodos de acuerdo con el Protocolo de
enrutamiento basado en MAC para TRITON (MRPT) desarrollado en el proyecto
mediante la optimización de algoritmos de enrutamiento clásicos adaptando las
características de una red en malla 802.16. El análisis incluye que la medida de la
distancia alcanzable entre una estación en tierra y el mar es de 14.2 km con
velocidades efectivas de 6Mbps (Zhou, y otros, 2013).
Gráfico No. 4: Arquitectura del proyecto TRITON
Elaboración: Zhou, M.; Hoang, V. D.; Harada, H.; Pathmasuntharam, J. S.; Wang, H.;
Kong, P.; Ang, C.; Ge, Y.; Wen, S. Fuente: TRITON: high-speed maritime wireless mesh network
Para evaluar el rendimiento se realizaron pruebas de mediciones de dos saltos de
un enlace inalámbrico en aguas de la isla de St. John al sur de Singapur, con una
torre a una altura de 8 metros a una distancia aproximada de 1,3 km del primer
- 16 -
salto, y a 1 km del segundo, con tasas globales de perdida de paquetes de entre
0 y 2 %. Sim embargo en lugares donde la cantidad de barcos es más escasa, no
es posible lograr una cobertura adecuada de la red, pues para un correcto
desempeño de esta solución se hace necesaria la existencia de un número
considerable de barcos cercanos alrededor de la costa (Zhou, y otros, 2013).
A pesar de los avances logrados con los estudios basados en WiMAX, las
comunicaciones aún presentaban los inconvenientes de propagación de la señal
y un limitado alcance efectivo, mientras que la tecnología WiMAX se volvía
obsoleta. En palabras de Proteek Kundu, director comercial de Augere Wireless
Broadband Bangladesh Ltd, la compañía propietaria de Qubee: “A nivel mundial,
la tecnología WiMax se está volviendo obsoleta. No estamos obteniendo ningún
equipo en el mercado, ya que los proveedores también han cambiado el enfoque
de su negocio " (Muhammad Zahidul, 2018). Es así como incluso algunos de estos
proveedores de equipos han publicado su decisión de cesar el soporte hacia esta
tecnología a través de sus portales virtuales.
Gráfico No. 5: Notificación de retiro de la tecnología WiMAX por parte de Cisco
Elaboración: https://www.cisco.com/
Fuente: https://www.cisco.com/c/en/us/obsolete/service-provider/wimax.html
Mare-Fi
Mare-Fi es un proyecto enfocado a brindar una solución de bajo costo que permita
rangos de transmisiones más largos y con mejores características de propagación,
haciendo uso de estándares 802.11/b/g, pero adaptándolo para que trabaje en la
banda del espectro analógico de los 700 MHz. En esta banda de frecuencia este
espectro es conocido con el nombre de Banda Blanca (TV White Spaces)16 y
16 Espectro entre los 50Mhz y los 900Mhz que fue liberado gracias a la digitalización de la Televisión Terrestre.
- 17 -
gracias a sus características particulares permiten un mejor rendimiento a largas
distancias comparado con el funcionamiento de Wi-Fi a 2.4 y 5.8 GHz. (Santos,
Wi-Fi Maritime Communications using TV White Spaces, 2013).
Gráfico No. 6: MARBED en la infraestructura de investigación del TEC4SEA
Elaboración: Campos, R.; Lopes, M.; Santos, L.; Magalhães, J; Teixeira, F.; Mamede,
J.; Ricardo M. Fuente: Institute for Systems and Computer Engineering, Technology and Science
(INESCTEC)
Para lograr el análisis y comportamiento de dicha red se realizaron pruebas con 8
barcos de pesca sobre los que se montaron los equipos, alejados unas 10 millas
náuticas de las estaciones terrestres. Durante las pruebas fue posible tener
comunicaciones de datos basadas en IP de barco a costa y viceversa, alcanzando
velocidades de hasta 1 Mbit/s a una distancia de aproximadamente 9 km, limitada
principalmente por la baja altura de las antenas en los barcos (Santos, Wi-Fi
Maritime Communications using TV White Spaces, s.f.).
BLUECOM+
Para superar el inconveniente de la altura de las antenas se realizó un trabajo en
el que se hace uso de Helikite´s: una combinación de globos de helio con una
cometa capaz de transportar carga útil, atados a tierra a través de una línea de
vuelo. En principio fueron usados con fines militares en el proyecto ABSOLUTE
- 18 -
para realizar tareas de vigilancia, y para levantar una red de comunicaciones
tácticas de manera rápida (Bucaille, y otros, 2013).
Esta nueva solución con el nombre BLUECOM+ consiste en levantar los globos
de helio a alturas de hasta 120 m, los cuales estarán atados a estructura terrestres
(torres, faros, etc) u oceánicas (boyas, barcos anclados o cualquier plataforma en
altamar), y sobre los que se montan los Router´s inalambricos aéreos (Tethered
flying Wireless Routers TWR), quienes no estarán expuestos a las condiciones del
mar puesto que deberán elevarse a altitudes de hasta 120 m para garantizar una
libre zona de Fresnel y línea de vista para las comunicación a través de la red
Multi-Hop con los demás TWR, y con el LWR (Land Wireless Router o Router
Inalámbrico Terrestre) quien será la puerta de enlace hacia internet. El enlace de
la superficie aérea se establece mediante el estándar IEEE 802.11g operando en
la banda de 700 MHz, mientras que los dispositivos terminales podrán acceder a
la red mediante tecnologías estándar como IEEE 802.11a / g / n / ac y GPRS /
UMTS / LTE (Campos, Oliveira, Cruz, Matos, & Almeida, 2016).
Gráfico No. 7: Arquitectura del proyecto BLUECOM+
Elaboración: Campos, R.; Oliveira, T.; Cruz, N.; Matos, A.; Almeida, J. M.
Fuente: BLUECOM+: Cost-effective Broadband Communications at Remote Ocean Areas
- 19 -
Esta combinación permite instalar una red de retorno rentable que extienda el
acceso a Internet de banda ancha a dispositivos heredados que operan en áreas
oceánicas remotas, pues para validar la arquitectura BLUECOM+ se realizaron
tres pruebas en diferentes fechas, en las cercanías de la costa de Portugal. En las
que se demostraron el rendimiento de la red la cual superaba los 50 km con
comunicaciones bidireccionales de hasta 1.2 Mbits/s; demostrando así la gran
durabilidad de los globos de helio y su fácil maniobrabilidad (Teixeira, y otros,
2017).
Gráfico No. 8: Test de velocidad realizadas durante las pruebas de BLUECOM+
Elaboración: Teixeira, F. B.; Lopes, M.; Leocádio, C.; Salazar, P.; Ruela, J.; Campos,
R.; Ricardo, M. Fuente: Enabling broadband internet access offshore using tethered balloons: The
BLUECOM+ experience
Existen otros proyectos que siguen el mismo objetivo de extender la cobertura de
red aprovisionando al sector marítimo de servicios a través de redes inalámbricas
banda ancha, pero que aún están en fase de concepto o estudios preliminares.
Uno de estos proyectos futuros es el presentado este año por el Instituto de
Investigación de Naves e Ingeniería Oceánica de Corea (KRISO) denominado
LTE-Marítimo.
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LTE-Maritime
Para el 2020 la República de Corea espera desarrollar una red inalámbrica que
permita a los usuarios marítimos acceder servicios de datos que requieren altas
velocidades en áreas costeras de hasta 100 km divididos en dos zonas. La zona
‘A’ tiene como objetivo cubrir hasta los 30 km con velocidades promedio de 6 Mbps
para enlace descendente (DL) y 3 Mbps para el enlace ascendente (UL). Desde
los 30 km hasta los 100 km corresponderá a la zona ‘B’, que se espera alcanzar
velocidades de 1 Mbps de subida y 3 Mbps de bajada.
El proyecto tiene como base la tecnología LTE, y su arquitectura consta de una
serie de Estaciones Base (BS) colocados a lo largo de la costa en áreas
montañosas de gran altitud para asegurar la Línea de Vista (LoS). Cada estación
BS se compone de múltiples Unidades de Radio (RU) para la transmisión y
recepción de radio, y múltiples Unidades Digitales (DU) responsables del
procesamiento de los datos. Del lado del barco se planea adecuar un Router en
la cubierta con antenas de alta ganancia de 6 dBi y con una longitud de 1.2 metros.
(Jo & Shim , LTE-Maritime: High-Speed Maritime Wireless Communication Based
on LTE Technology, 2019)
Gráfico No. 9: Arquitectura del concepto LTE-Marítimo
Elaboración: Jo, Sung-Woong; Shim, Woo-Seong
Fuente: LTE-Maritime: High-Speed Maritime Wireless Communication Based on LTE Technology
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FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
Los esfuerzos de los expertos en introducir en la industria electrónica
componentes de fácil uso, compactos, flexibles y baratos, capaces de realizar un
mayor número de tareas en comparación con los antecesores, han dado como
resultado la aparición de dispositivos que con un mínimo esfuerzo podemos lograr
obtener el máximo rendimiento.
Arduino
Arduino es uno de los dispositivos que se crearon con el objetivo de facilitar la
introducción al mundo de la electrónica. En la página de Arduino en español (2019)
se lo describe como “una plataforma electrónica de código abierto basada en
hardware y software (…) que permiten establecer conexiones entre el
microcontrolador y los diferentes actuadores de una manera muy sencilla”.
Lo que ha realizado el equipo de Arduino es un circuito impreso que posee en el
exterior encabezados de pines que permiten conectarse al circuito integrado de
tal forma que alguien sin ningún conocimiento previo de electrónica o
programación puede empezar a crear sus proyectos.
Es muy común que algunas personas confundan términos como Microcontrolador
y Arduino. El primero es solo un chip de sistema que viene con un
microprocesador, memoria flash y memoria RAM integradas; además de que
cuenta con el circuito de interfaz requerido para utilizarlo directamente en tiempo
real. Luego, Arduino es una placa que viene con el microcontrolador en la base de
la placa, incluye el cargador de arranque para que pueda programarse de manera
sencilla a través del IDE (Interfaz de Desarrollo) de Arduino y permite un fácil
acceso a los pines de entrada-salida y hace que la carga o la grabación del
programa sea fácil.
Hoy en día existen diferentes modelos oficiales de placas de Arduino, de diversos
tamaños, distintos tipos de modelos de microcontrolador, o variados números de
pines de entrada/salida, cada uno pensado para diferentes propósitos pero que
comparten ciertas características tales como arquitecturas, librerías y
documentación.
- 22 -
Gráfico No. 10: Modelos Arduino más conocidos
Elaboración: http://arduino.cl/
Fuente: https://arduino.cl/que-es-arduino/
Arduino Nano
Es una placa que posee las mismas capacidades que un Arduino UNO, tanto en
potencia como en conectividad, pero en un tamaño más compacto. Para lograr
reducir su tamaño el Arduino nano solo cuenta con un puerto de alimentación Mini-
USB tipo B, y los pines de entrada cambiaron a tipo header.
Gráfico No. 11: PinOut Arduino Nano
Elaboración: https://www.luisllamas.es/
Fuente: https://www.luisllamas.es/esquema-de-patillaje-de-arduino-pinout/
- 23 -
Software Arduino
Arduino proporciona un Entorno de Desarrollo (IDE) escrito en java que se basa
en Processing. El software es de código abierto, y basta con acceder a la página
oficial de Arduino.cc para obtener las últimas versiones disponibles para los
sistemas operativos Windows, Linux, y Mac.
El entorno de desarrollo de Arduino incorpora un conjunto de herramientas que
permiten desarrollar, compilar y cargar el código (denominado sketch) a un
dispositivo Arduino Uno, Arduino Mega, Arduino Micro, Arduino Leonardo o
cualquier placa que contenga un microcontrolador programado para aceptar la
transferencia del archivo hexadecimal que genera en última instancia la plataforma
IDE (Fezari & Al Dahoud, Integrated Development Environment "IDE" For Arduino,
2018).
Arduino IDE se distribuye principalmente en 3 secciones: Barra de menú, Editor
de texto, consola de salida.
Gráfico No. 12: Ventana del Entorno de Desarrollo Integrado de Arduino
Elaboración: Erick Villamar
Fuente: Erick Villamar
En la barra de menú encontraremos elementos dispuestos en menús
desplegables con herramientas para interactuar con el editor de código, además
de una colección de opciones tradicionales para trabajar con texto, ficheros, entre
otras cosas tales como:
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Cuadro No. 5: Elementos de la Barra de Menú de Arduino IDE
Item Función
Archivo Ofrece acciones estándares de documentos para los sketches
como abrir, guardar, cerrar. Pero además añade «Ejemplos»,
que permite acceder a sketches de proyectos sencillos para
iniciar en Arduino.
Editar Ofrece acciones estándares de texto como son deshacer,
cortar, reemplazar, pero también «copiar como HTML» nuestro
código, para por ejemplo, publicarlo en web o foros.
Programa Ofrece acciones para el editor de código, como
verificar/compilar, subir nuestro sketch y además la opción para
importar librerías necesarias para el proyecto.
Herramientas Ofrece herramientas un poco avanzadas como «Quemar
bootloader» para grabar un nuevo bootloader en el
microcontrolador de la placa.
Ayuda Podremos acceder a secciones de la página oficial de Arduino
con artículos, tutoriales y ejemplos de manera local.
Elaboración: Erick Villamar Fuente: Erick Villamar
Dado que la mayor parte de la interacción que tendremos con el software de
Arduino será en el editor de texto, Arduino IDE incorpora algunos elementos de la
barra de menú a modo de barra de herramientas de acceso rápido para agilitar el
desarrollo de proyectos.
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Cuadro No. 6: Elementos del editor de código de Arduino IDE
Item Función
Verificar: Comprueba que no existan errores en nuestro código, y en
caso de no haberlos, lo compila.
Subir: Luego de «Verificar», carga en la memoria del
microcontrolador el código desarrollado.
Nuevo: Crea un nuevo sketch vacío.
Abrir: Despliega un menú con todos los sketches disponibles para
abrir.
Guardar: Exporta el código de nuestro sketch a un fichero con
extensión «.ino».
Monitor Serial: Permite ver información transmitida desde nuestro
Arduino por el puerto de comunicación serial.
Menú contextual: Permite interactuar con las pestañas de los
ficheros en los que está dividido nuestro código.
Elaboración: Erick Villamar Fuente: Erick Villamar
El entorno de desarrollo de Arduino es compatible con los lenguajes C y C++ ya
que el lenguaje utilizado para programar las placas tiene sus fundamentos en el
proyecto Wiring, que a su vez se basó en Processing para su desarrollo, pero con
la diferencia de que utiliza un conjunto de compiladores creados por el proyecto
GNU (GNU Compiler Collection) para C/C++, permitiendo simplificar la programación
para facilitar las operaciones de entrada y salida necesaria para la comunicación en
la electrónica.
- 26 -
Software Processing
De acuerdo con el sitio web oficial de Processing “es un flexible software
sketchbook (o cuaderno de bocetos) y un lenguaje para aprender a codificar
dentro del contexto de las artes visuales” (Processing, 2019). El lenguaje de
programación que utiliza está basado en un java simplificado, ya que cuenta con
clases adicionales, funciones y operaciones matemáticas con alias, y además con
una interfaz gráfica pensada para usuarios que quieran desarrollar proyectos
multimedia con gráficos 2D, 3D, texturas, formas, pero que no sean
programadores.
Gráfico No. 13: Ventana del Entorno de Desarrollo Integrado de Processing
Elaboración: Erick Villamar
Fuente: Erick Villamar
Su interfaz, denominada Entorno de Desarrollo de Processing (PDE), al igual que
su lenguaje de programación es de código abierto, y a primera vista es muy similar
al IDE de Arduino ya que de hecho, como se mencionó anteriormente, este basó
su desarrollo en el IDE de Processing, pero con algunos elementos que difieren
entre ambos entornos.
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Cuadro No. 7: Elementos del editor de código de Processing IDE
Item Función
Ejecutar: Ejecuta el boceto. En modo Java, compila el código y abre una
nueva ventana de visualización.
Detener: Termina un boceto en ejecución.
Elaboración: Erick Villamar Fuente: Erick Villamar
Al igual que Arduino con Processing, el IDE y lenguaje de programación de
Processing tiene como base un software que tenía como objetivo permitir a los
diseñadores, artistas y otros no programadores iniciar fácilmente en el mundo de
la programación. El proyecto llevaba de nombre Design By Numbers, y
actualmente ya no se encuentra activo, pero el resultado de esta versatilidad que
se puede lograr entre proyectos ha influenciado el desarrollo de muchos otros.
Gráfico No. 14: Influencia de Processing de/a otros sistemas de codificación
Elaboración: https://medium.com/
Fuente: https://medium.com/processing-foundation/a-modern-prometheus-59aed94abe85/
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“Promover la alfabetización de software en las artes visuales, y la alfabetización
visual en los campos relacionados con la tecnología” (Processing Foundation,
2019). La misión de la Fundación de Processing ha derivado en el desarrollo y
distribución de nuevos proyectos de software relacionados con el objetivo de que
las tecnologías sean accesibles para diversas comunidades. Entre los principales
proyectos se encuentran:
Cuadro No. 8: Variantes del proyecto respaldados por Processing Foundation
Proyecto Descripción
p5.js Alternativa nativa JavaScript a Processing.js dentro
del contexto de los navegadores web actuales.
Processing.py Python Mode for Processing es una interfaz de
Python para el kit de herramientas Java.
Processing for Pi Software de Processing para Raspberry Pi y/o
equipos de placa única basadas en Linux.
Processing for Android
Permite crear aplicaciones para dispositivos Android
sin requerir la instalación de archivos SDK o edición
de archivos de diseño.
Elaboración: Erick Villamar Fuente: https://medium.com/
Además, el Entorno de Desarrollo de Processing cuenta con un ‘Modo Java’, que
puede ser utilizado para escribir programas cortos para dibujar en pantalla, pero
también permite el desarrollo profesional de software Java, de modo que se
puedan exportar las aplicaciones para ejecutarlas en sistemas operativos
Windows, Linux y Mac.
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Servomotor
Un motor servo es un dispositivo actuador que tiene la capacidad de ubicarse en
cualquier posición dentro de su rango de operación, y de mantenerse estable en
dicha posición. Está formado por un motor de corriente continua, una caja
reductora y un circuito de control, y su margen de funcionamiento generalmente
es de menos de una vuelta completa (Arduino, 2009).
Entonces los servomotores incorporan un circuito de control, una resistencia
variable (también conocida como potenciómetro), típicamente en una cajita
rectangular de diferentes proporciones en la que sobresale un eje de motor en un
extremo, y un conector con tres cables al costado: uno de alimentación o poder,
otro es la línea de entrada control y uno a tierra.
Cuadro No. 9: Conexión Servo - Arduino
Arduino \ Servo Fuente Tierra Señal
Vin Rojo
GND Marrón
Analog in 2
PWM3 Naranja
Elaboración: Erick Villamar Fuente: Erick Villamar
Prácticamente todos los componentes de los servomotores son iguales, la
diferencia radica en que los servos económicos tienen engranajes de plástico, con
cojinetes de plástico sobre plástico del eje de salida del servo, y en los servos más
costosos los engranajes son de metal, y con cojinetes de metal sobre metal, son
resistentes y permiten un uso prolongado, se desgastan más rápido; aunque
dependiendo del fabricante los colores del cable de cada terminal pueden variar.
Algunos ejemplos de marcas conocidas son:
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Cuadro No. 10: Colores de terminales de servomotores por fabricantes
Fabricante \ Servo Fuente Tierra Señal
Airtronics Rojo Negro Naranja
Dong Yang Rojo Marrón Naranja
E-sky Rojo Negro Blanco
Futaba Rojo Negro Blanco
Hobico Rojo Negro Amarillo
JR Rojo Marrón Naranja
Krafr Rojo Negro Naranja
Elaboración: Erick Villamar Fuente: Erick Villamar
Sensores de Medición Inercial
Los sensores de medición inercial o IMU (Inertial Measurment Units) básicamente
detectan la aceleración lineal a lo largo de una o varias direcciones, o el
movimiento angular alrededor de uno o varios ejes. El primero se lo denomina
acelerómetro, y al posterior giroscopio.
De acuerdo con (Yang & Hsu, 2019) un acelerómetro
“se basa en un elemento de detección mecánico que consiste en una masa
de prueba (o masa sísmica) unida a un sistema de suspensión mecánica
con respecto a un marco de referencia. La fuerza inercial debida a la
aceleración o la gravedad hará que la masa de prueba se desvíe de
acuerdo con la Segunda Ley de Newton. La aceleración se puede medir
eléctricamente con los cambios físicos en el desplazamiento de la masa de
prueba con respecto al marco de referencia”.
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En cambio los giroscopios, más particularmente los de sistema micro
electromecánico (MEMS), basan su funcionamiento en el efecto Coriolis. Tal como
indican (Passaro, Cuccovillo, Vaiani, De Carlo, & Campanella, 2017) los
giroscopios MEMS “generalmente usan un elemento mecánico vibratorio como
elemento sensor para detectar la velocidad angular. (...) Todos los giroscopios
MEMS con elemento vibrante se basan en la transferencia de energía entre dos
modos de vibración causados por la aceleración de Coriolis.”
Módulo MPU6050
El MPU6050 es un sensor de medición inercial, que combina un acelerómetro de
tres ejes y un giroscopio de tres ejes permitiéndonos medir características como
desplazamiento, aceleración, orientación, y otras características de movimiento en
los componentes X, Y, Z.
Gráfico No. 15: Dirección de los ejes en el módulo MPU6050
Elaboración: Naylamp Mechatronics SAC
Fuente: https://naylampmechatronics.com/blog/45_Tutorial-MPU6050-Acelerómetro-y-Giroscopio.html
Cualquier cambio en el movimiento se reflejará en el sistema mecánico, que a su
vez variará el voltaje convirtiéndolo en datos listos para ser leídos a través de una
MCU como Arduino.
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Cuadro No. 11: Función de los pines del MPU6050
PIN Descripción
Vcc Suministrar voltaje de entrada +3 a +5 V
GND Pin a tierra
SCL Pulso de reloj I2C
ASD Transferencia de datos a través de comunicación I2C
XDA Interconexión con otros módulos I2C
XCL Interconexión con otros módulos I2C
AD0 Cambio de direcciones en caso de usar otros módulos I2C
INT Indica al microcontrolador que hay nuevos datos a ser leídos
Elaboración: Erick Villamar Fuente: Erick Villamar
Hay que tener en cuenta que el MPU6050 no tiene la capacidad de medir ángulos,
al menos no directamente. Su principal propiedad es la de detectar la fuerza y la
velocidad, y por lo tanto requiere de ciertos cálculos para obtener la orientación.
El acelerómetro que incorpora es de tres ejes, y es capaz de medir la aceleración
a la que está sometido el sensor, o lo que es lo mismo, cualquier tipo de variación
de velocidad respecto al tiempo, permitiéndonos conocer simultáneamente la
magnitud y dirección de la aceleración en X, Y, y Z de manera independiente.
El sensor se ve afectado por la gravedad terrestre, que supone una aceleración
de aproximadamente 9.81 𝑚 𝑠2⁄ , que se registra constantemente en el eje que se
encuentra vertical a la superficie de la tierra.
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La medición de la gravedad puede emplearse para determinar la orientación del
sensor. Si sabemos que la gravedad es 9.8 𝑚 𝑠2⁄ , y conocemos los valores de los
tres ejes del acelerómetro, por trigonometría es posible calcular el ángulo de
inclinación de la IMU, de forma que las ecuaciones resultan:
Cuadro No. 12: Fórmula trigonométrica para el cálculo de ángulos
Ɵ𝑥 = 𝑎𝑡𝑎𝑛𝐴𝑥
√𝐴𝑦2 + 𝐴𝑧2
Ɵ𝑦 = 𝑎𝑡𝑎𝑛𝐴𝑦
√𝐴𝑥2 + 𝐴𝑧2
Ɵ𝑧 = 𝑎𝑡𝑎𝑛√𝐴𝑥2 + 𝐴𝑦2
𝐴𝑧
Elaboración: Llamas, Luis Fuente: https://www.luisllamas.es/como-usar-un-acelerometro-arduino/
Pero dado que el ángulo se calcula a partir de la gravedad, no es posible calcular
el ángulo Z con esta fórmula. Si no que es necesario hacer uso de otro
componente que brinde un eje de referencia, como un magnetómetro o algún tipo
de brújula digital, la cual el MPU6050 no incluye.
En cambio, el giroscopio de tres ejes que incorpora mide la velocidad angular, es
decir, detecta el número de grados de rotación girado en un determinado
momento, lo que permite registrar la magnitud y dirección de rotación en X, Y, y Z
de forma independiente.
Para obtener el ángulo de posición del sensor es necesario realizar la integración
de las lecturas de cada eje con respecto al tiempo. Si conocemos el ángulo inicial,
y conocemos las medidas del giroscopio en cada intervalo de tiempo, podemos
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sumarle al valor registrado el ángulo anterior para conocer el nuevo ángulo en
cada momento, de tal forma que:
Ɵ = Ɵ𝑝𝑟𝑒𝑣 + 𝐴𝑔𝑦𝑟𝑜. 𝛥𝑡
Pero dado que los giroscopios son dispositivos puramente diferenciales, no existe
una referencia absoluta si no que siempre medimos ángulos relativos a una
referencia arbitraria.
La razón por el cual el MPU6050 cuenta con una combinación de acelerómetro y
giroscopio es que juntos compensan las limitaciones del otro, puesto que:
Los giroscopios funcionan muy bien para movimientos cortos o bruscos,
pero al usar giroscopios de vibración que realmente miden la velocidad
angular, y obtienen el ángulo por integración respecto al tiempo, acumulan
errores y ruido en la medición, por lo que a medio o largo plazo tienen
deriva (drift). Por el contrario, los acelerómetros no tienen deriva (drift) a
medio o largo plazo, ya que realizan la medida absoluta del ángulo que
forma el sensor con la dirección vertical, marcada por la gravedad. Sin
embargo, se ven influenciados por los movimientos del sensor y el ruido,
por lo que no son fiables a corto plazo. (Llamas, 2016)
Por lo tanto, combinar las ventajas en tiempos cortos del giroscopio y las ventajas
a medio y largo plazo del acelerómetro, filtrando la señal para conseguir eliminar
el drift y el ruido respectivamente, permite obtener mediciones de orientación más
precisas que la de ambos componentes por separado.
Existen varios algoritmos capaces de realizar esta tarea, siendo el más famoso el
Filtro de Kalman que, a grandes rasgos, es capaz de calcular una estimación del
valor futuro de la medición y compararlo con el valor real mediante un análisis
estadístico para compensar el error en futuras mediciones, Sin embargo, el filtro
de Kalman en su versión general implica la realización de cálculos complejos que
suponen un coste de procesamiento bastante elevado, por lo que para Arduino es
más habitual hacer uso de un algoritmo más sencillo, considerado como una
simplificación del filtro de Kalman que omite por completo el análisis estadístico,
denominado filtro complementario. Y esta expresado:
Ɵ = 𝐴(Ɵ𝑝𝑟𝑒𝑣 + Ɵ𝑔𝑦𝑟𝑜. 𝛥𝑡) + 𝐵Ɵ𝑎𝑐𝑐𝑒𝑙
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El filtro complementario se comporta como un filtro Pasa-Bajo para la señal de
medición del giroscopio, dejando pasar únicamente los valores por encima de
cierto límite, y como un filtro Pasa-Alto para el acelerómetro, de modo que solo
permite el paso de aquellos valores que se encuentren por debajo del límite. A y
B son dos constantes que permiten calibrar los límites del filtro, y pueden tomar
valores de forma que la suma entre ambos debe ser igual a 1.
Gráfico No. 16: Medición de orientación mediante filtro complementario
Elaboración: Llamas, Luis
Fuente: https://www.luisllamas.es/medir-la-inclinacion-imu-filtro-complementario/
Software Libre
El Free Software, Open source Software, o Software Libre ha tenido una gran
transcendencia desde la inserción de su concepto en 1983 cuando se originó el
proyecto GNU, y su significado más popular es el que señala que “los usuarios
tienen la libertad de ejecutar, copiar, distribuir, estudiar, modificar y mejorar el
software” (Free Software Foundation, 2019) sin preocuparse por caer en
infracciones por derechos de autor. Pero la Iniciativa para el Código Abierto en su
documento publicado “La definición de código abierto v1.9” indica que además de
tener acceso al código fuente, hay una serie de requisitos que se deben de cumplir
para ser considerado Free Software (Iniciativa de Código Abierto, 2019).
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Cuadro No. 13: La definición de código abierto
1. Redistribución gratuita: la licencia no restringirá a ninguna de las partes a
vender o regalar el software.
2. Código fuente: el programa debe incluir el código fuente y debe permitir la
distribución tanto en el código fuente como en el formulario compilado.
3. Obras derivadas: debe permitir modificaciones y trabajos derivados, y debe
permitir que se distribuyan bajo los mismos términos que la licencia del software
original.
4. Integridad del código fuente del autor: debe permitir explícitamente la
distribución de software creado a partir de código fuente modificado.
5. No discriminación contra personas o grupos: la máxima diversidad de
personas y grupos debe ser igualmente elegible para contribuir a las fuentes
abiertas.
6. No discriminación contra los campos de trabajo: no debe restringir a
nadie el uso del programa en un campo específico de esfuerzo.
7. Distribución de licencia: los derechos adjuntos al programa deben aplicarse
a todos aquellos a quienes el programa se redistribuye sin la necesidad de que
esas partes ejecuten una licencia adicional.
8. La licencia no debe ser específica para un producto: no deben depender
de que el programa forme parte de una distribución de software en particular.
9. La licencia no debe restringir otro software: no debe imponer restricciones
a otro software que se distribuya junto con el software con licencia.
10. La licencia debe ser neutral en tecnología: Ninguna disposición de la
licencia puede basarse en ninguna tecnología o estilo de interfaz individual.
Elaboración: Erick Villamar Fuente: https://opensource.org
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Hardware Libre
El Free Hardware, Open Source Hardware o Hardware libre sigue los mismos
principios del Software Libre, pero llevada a artefactos tangibles. Es decir, es aquel
“hardware cuyo diseño se hace disponible públicamente para que cualquier
usuario lo pueda estudiar, modificar, distribuir, materializar y vender, tanto el
original como otros objetos basados en ese diseño” (OSHW, 2019). Estos diseños
pueden ser planos, dibujos, o diseños digitales que para su implementación
idealmente deben “utilizar componentes y materiales fácilmente disponibles,
procesos estándar, infraestructura abierta, contenido sin restricciones y
herramientas de diseño de código abierto para maximizar la capacidad de las
personas para fabricar y usar el hardware” (OSHW, 2019).
Igual que para el Software Libre, existe la Definición de hardware de código abierto
v1.0
Cuadro No. 14: La definición de Hardware Abierto
1. Documentación: Debe incluir archivos de diseño, y debe permitir la
modificación y distribución de los archivos de diseño.
2. Alcance: La documentación para el hardware debe especificar claramente
qué parte del diseño, si no todo, se publica bajo la licencia.
3. Software necesario: Si se requiere software para cumplir sus funciones
esenciales: Las interfaces deben estar suficientemente documentadas para que
se considere sencillo escribir el software o; que el software necesario se
publique bajo licencia de código abierto.
4. Obras derivadas: permitirá modificaciones y obras derivadas, y permitirá que
se distribuyan bajo los mismos términos que la licencia de la obra original.
5. Redistribución gratuita: no restringirá a ninguna de las partes la venta o
entrega de la documentación del proyecto.
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6. Atribución: puede requerir documentos derivados y avisos de derechos de
autor asociados con los dispositivos, para proporcionar atribución a los
licenciantes al distribuir archivos de diseño, productos manufacturados y / o
derivados de los mismos.
7. No discriminación contra personas o grupos: no debe discriminar contra
ninguna persona o grupo de personas.
8. No discriminación contra los campos de trabajo: no debe restringir a
nadie el uso del trabajo (incluido el hardware fabricado) en un campo específico
del esfuerzo.
9. Distribución de licencia: Los derechos otorgados por la licencia deben
aplicarse a todos aquellos a quienes el trabajo se redistribuye sin la necesidad
de la ejecución de una licencia adicional por esas partes.
10. La licencia no debe ser específica para un producto: no deben depender
de que el trabajo con licencia sea parte de un producto en particular. Si una
parte se extrae de una obra y se usa o distribuye dentro de los términos de la
licencia, todas las partes a las que se redistribuye esa obra deben tener los
mismos derechos que los que se otorgan para la obra original.
11. La licencia no debe restringir otro hardware o software: no debe
imponer restricciones a otros elementos que se agreguen con el trabajo con
licencia pero que no se deriven de él.
12. La licencia debe ser neutral en tecnología: Ninguna disposición de la
licencia puede basarse en ninguna tecnología individual, parte o componente
específico, material o estilo de interfaz o uso de la misma.
Elaboración: Erick Villamar Fuente: https://www.oshwa.org/
Tanto el software y hardware libre proporcionan toda la documentación necesaria
que facilita su estudio y manejo. La principal diferencia es que el software al ser
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contenido puramente digital puede ofrecerse al público sin costo alguno, mientras
que el hardware al implicar componentes físicos, los desarrolladores también se
centran en reducir los costos para que puedan ser adquiridos o construidos por el
usuario.
Seis Grados de Libertad
El concepto Degrees of Freedom (DoF) o grados de libertad hace referencia a la
libertad de movimiento que tiene un cuerpo en un espacio tridimensional, como lo
es el mundo real; o en otras palabras, “se refiere a la forma en que nuestros
cuerpos y otros objetos pueden moverse a través del espacio que nos rodea” (API
Metrology Equipment Limited, 2019).
Gráfico No. 17: Seis Grados de Libertad
Elaboración: https://www.schaefer-tec.it/
Fuente: https://www.schaefer-tec.it/en/products/dvia-t-active-vibration-isolation-systems-daeil-systems/
Los seis grados de libertad o 6DoF son el número específico movimientos libres
de un cuerpo en las tres dimensiones X, Y, y Z, así como cambiar de orientación
entre cada uno de esos ejes. Cada movimiento a lo largo de cada uno de los tres
ejes es independiente el uno del otro, e independiente de la rotación sobre
cualquiera de estos ejes. Es decir, existen seis parámetros o formas en que un
cuerpo puede moverse:
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Translación: Moverse a lo largo de los ejes X, Y, y Z
Cuadro No. 15: Movimientos de translación de un cuerpo
Moverse hacia arriba y hacia abajo a lo largo del eje
vertical (Heave)
Moverse de izquierda a derecha a lo largo del eje
transversal (Sway)
Moverse hacia adelante y hacia atrás a lo largo del eje
longitudinal (Surge)
Elaboración: Erick Villamar Fuente: https://kei-studios.com/
Rotacional: Girar hacia un eje diferente
Cuadro No. 16: Movimientos de rotación de un cuerpo
Moverse entre el eje longitudinal y el eje transversal (Yaw)
Moverse entre el eje vertical y el eje longitudinal (Pitch)
Moverse entre el eje transversal y el eje vertical (Roll)
Elaboración: Erick Villamar Fuente: https://kei-studios.com/
Este principio es muy utilizado en ingeniería, robótica e incluso en videojuegos
para describir la libertad de movimiento que ofrecen, aunque sin cumplir
necesariamente con los criterios completos de seis grados de libertad. 6DoF es
un estilo de jugabilidad donde a menudo no existe la gravedad permitiendo el
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control independiente de los tres ejes de translación y los tres ejes de rotación. El
acrónimo 3DoF es utilizado para referirse al movimiento en tres dimensiones, pero
sin incluir los de rotación o viceversa, como en el caso de los juegos de realidad
virtual. (Barnard, 2019)
Gráfico No. 18: 3DoF vs 6DoF en VR
Elaboración: https://virtualspeech.com/
Fuente: https://virtualspeech.com/blog/degrees-of-freedom-vr/
Los sistemas de robótica, como por ejemplo los brazos robot, generalmente son
categorizados por sus grados de libertad y es muy común escuchar más de seis
grados. Esto se debe a que cada parte móvil puede tener hasta 6DoF, y cada una
de las partes pueden considerarse independiente o como un conjunto. Entonces,
un brazo robótico de tres segmentos de seis grados de libertad cada uno, puede
ser considerado como un brazo robótico de 18 grados de libertad.
Movimientos y oscilación del barco
Debido a las fuerzas actuantes que el mar ejerce sobre un barco, este experimenta
movimientos de seis grados de libertad casi constantemente. Para brindar
información sobre prevención de pérdida de carga de aseguradoras marinas
alemanas, el Manual de Contenedores de la Asociación Alemana de Seguros (Die
Deutschen Versicherer, 2019) describe los movimientos del barco de la siguiente
manera:
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Gráfico No. 19: Seis Grados de Libertad del Barco
Elaboración: Gwi-Nam, Kim; Sun-Chul, Huh; Sung-Gu, Hwang; Yong-Gil, Jung; Jang-
Hwan, Hyun; Hee-Sung, Yoon Fuente: Structure stability evaluation of offshore heave compensator using multi-body
dynamics analysis method.
Cuadro No. 17: Movimientos de translación de un barco
Heaving o Arfada implica una aceleración del eje vertical
de la nave: hacia arriba y hacia abajo. Solo en un mar con
calma absoluta el barco flota en reposo.
En Surging, Avance o Retroceso, el movimiento del mar
acelera y desacelera el barco hacia adelante y hacia
atrás.
En Swaying, Ronza o Abatimiento, al igual que surging el
movimiento del mar provoca un movimiento lineal, pero
en este caso lateral (de lado a lado).
Elaboración: Erick Villamar Fuente: https://seafasten.com
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Cuadro No. 18: Movimientos de rotación de un barco
Yawing. Virada, Guiñada o Rumbo, implica la rotación de
la nave alrededor de su eje vertical. Esto debido a la
imposibilidad de dirigir un barco en un curso totalmente
recto, ya sea por las condiciones del mar, o por la
desviación del timón.
Pitching o Cabeceo es la rotación alrededor del eje que
atraviesa el ancho. El barco se levanta en la proa y se
baja en la popa y viceversa.
El Rolling, Balance o Escora implica un movimiento
oscilatorio del barco, de modo que se ‘inclina’ hacia la
izquierda o hacia la derecha sobre un eje imaginario que
corre horizontalmente a lo largo de la longitud de la nave.
Elaboración: Erick Villamar Fuente: https://seafasten.com
FUNDAMENTACIÓN LEGAL
Para que cualquier embarcación pueda navegar en territorio ecuatoriano, debe
regirse a las normas que establece el (Reglamento A La Actividad Marítima, 2015),
el cual en el Capítulo VII DE LAS RADIOCOMUNICACIONES decreta que “ se
deberán cumplir con las disposiciones del Reglamento Internacional de
Radiocomunicaciones; del Reglamento de Radiocomunicaciones de la Marina
Mercante; las de este reglamento; y las de los Convenios Internacionales sobre la
materia, ratificados por el Ecuador.”
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Reglamento De Las Telecomunicaciones Internacionales
Artículo 5: Seguridad de la vida humana y prioridad de las
Telecomunicaciones
1.1 Las telecomunicaciones relacionadas con la seguridad de la vida humana,
como las telecomunicaciones de socorro, tendrán derecho absoluto a la
transmisión y gozarán, en la medida en que sea técnicamente viable, de
prioridad absoluta sobre todas las demás telecomunicaciones, conforme a los
artículos pertinentes del Convenio y teniendo debidamente en cuenta las
Recomendaciones pertinentes del CCITT.
1.2 Las telecomunicaciones de Estado, comprendidas las relativas a la aplicación
de ciertas disposiciones de la Carta de las Naciones Unidas, gozarán, en la
medida en que sea técnicamente viable, de un derecho prioritario sobre las
telecomunicaciones distintas de las mencionadas en el número 39, conforme
a las disposiciones pertinentes del Convenio y teniendo debidamente en
cuenta las Recomendaciones pertinentes del CCITT.
1.3 El orden de prioridad de todas las demás telecomunicaciones se regirá por lo
dispuesto en las Recomendaciones pertinentes del CCITT.
Constitución De La República Del Ecuador
Sección octava: Ciencia, tecnología, innovación y saberes ancestrales
Art. 385.- El sistema nacional de ciencia, tecnología, innovación y saberes
ancestrales, en el marco del respeto al ambiente, la naturaleza, la vida, las culturas
y la soberanía, tendrá como finalidad:
1. Generar, adaptar y difundir conocimientos científicos y tecnológicos.
2. Recuperar, fortalecer y potenciar los saberes ancestrales.
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3. Desarrollar tecnologías e innovaciones que impulsen la producción
nacional, eleven la eficiencia y productividad, mejoren la calidad de vida y
contribuyan a la realización del buen vivir.
Art. 387.- Será responsabilidad del Estado:
1. Facilitar e impulsar la incorporación a la sociedad del conocimiento para
alcanzar los objetivos del régimen de desarrollo.
2. Promover la generación y producción de conocimiento, fomentar la
investigación científica y tecnológica, y potenciar los saberes ancestrales,
para así contribuir a la realización del buen vivir, al sumak kawsay.
3. Asegurar la difusión y el acceso a los conocimientos científicos y
tecnológicos, el usufructo de sus descubrimientos y hallazgos en el marco
de lo establecido en la Constitución y la Ley.
4. Garantizar la libertad de creación e investigación en el marco del respeto
a la ética, la naturaleza, el ambiente, y el rescate de los conocimientos
ancestrales.
5. Reconocer la condición de investigador de acuerdo con la Ley.
Art. 388.- El Estado destinará los recursos necesarios para la investigación
científica, el desarrollo tecnológico, la innovación, la formación científica, la
recuperación y desarrollo de saberes ancestrales y la difusión del conocimiento.
Un porcentaje de estos recursos se destinará a financiar proyectos mediante
fondos concursables. Las organizaciones que reciban fondos públicos estarán
sujetas a la rendición de cuentas y al control estatal respectivo.
Código Orgánico De Economía Social De Los Conocimientos,
Creatividad E Innovación
Apartado Segundo De las tecnologías libres y formatos abiertos
Artículo 142.-Tecnologías libres. Se entiende por tecnologías libres al software
de código abierto, los estándares abiertos, los contenidos libres y el hardware libre.
Los tres primeros son considerados como Tecnologías Digitales Libres.
- 46 -
Se entiende por software de código abierto al software en cuya licencia el titular
garantiza al usuario el acceso al código fuente y lo faculta a usar dicho software
con cualquier propósito. Especialmente otorga a los usuarios, entre otras, las
siguientes libertades esenciales:
• La libertad de ejecutar el software para cualquier propósito;
• La libertad de estudiar cómo funciona el software, y modificarlo para
adaptarlo a cualquier necesidad. El acceso al código fuente es una
condición imprescindible para ello;
• La libertad de redistribuir copias; y,
• La libertad de distribuir copias de sus versiones modificadas a terceros.
Se entiende por código fuente, al conjunto de instrucciones escritas en algún
lenguaje de programación, diseñadas con el fi n de ser leídas y transformadas por
alguna herramienta de software en lenguaje de máquina o instrucciones
ejecutables en la máquina.
Los estándares abiertos son formas de manejo y almacenamiento de los datos en
los que se conoce su estructura y se permite su modificación y acceso no
imponiéndose ninguna restricción para su uso. Los datos almacenados en
formatos de estándares abiertos no requieren de software propietario para ser
utilizados. Estos formatos estándares podrían o no ser aprobados por una entidad
internacional de certificación de estándares.
Contenido Libre es el acceso a toda la información asociada al software,
incluyendo documentación y demás elementos técnicos diseñados para la entrega
necesarios para realizar la configuración, instalación y operación del programa,
mismos que deberán presentarse en estándares abiertos.
Se entiende por hardware libre a los diseños de bienes o materiales y demás
documentación para la configuración y su respectiva puesto en funcionamiento,
otorgan a los usuarios las siguientes libertades otorgan a los usuarios las
siguientes libertades:
1. La libertad de estudiar dichas especificaciones, y modificarlas para
adaptarlas a cualquier necesidad;
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2. La libertad de redistribuir copias de dichas especificaciones; y
3. La libertad de distribuir copias de sus versiones modificadas a terceros.
El Estado en la adquisición de bienes o servicios incluidos los de consultoría de
tecnologías digitales, preferirá la adquisición de tecnologías digitales libres. Para
el caso de adquisición de software se observará el orden de prelación previsto en
este código.
Artículo 151.- Libre elección de software. Los usuarios tienen derecho a la libre
elección del software en dispositivos que admitan más de un sistema operativo.
En dispositivos que no admitan de fábrica, más de un sistema operativo, podrán
ofrecerse solo con el sistema instalado de fábrica.
En la compra de computadores personales y dispositivos móviles, los proveedores
estarán obligados a ofrecer al usuario alternativas de software de código cerrado
o software de código abierto, de existir en el mercado. Se deberá mostrar por
separado el precio del hardware y el precio de las licencias.
Artículo 145.- Migración a software de fuente abierta. Las Instituciones del
sector público deberán realizar una evaluación de factibilidad de migrar sus
tecnologías digitales a tecnologías digitales libres con los criterios establecidos en
el reglamento correspondiente. Se evaluará la criticidad del software, debiendo
considerar los siguientes criterios:
1. Sostenibilidad de la solución;
2. Costo de oportunidad;
3. Estándares de seguridad;
Capacidad técnica que brinde el soporte necesario para el uso del software.
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Decreto Ejecutivo N° 10014
Del Software Libre
Art. 2.- Se entiende por Software Libre, a los programas de computación que se
pueden utilizar y distribuir sin restricción alguna, que permitan su acceso a los
códigos fuentes y que sus aplicaciones puedan ser mejoradas.
• Estos programas de computación tienen las siguientes libertades:
• Utilización del programa con cualquier propósito de uso común.
• Distribución de copias sin restricción alguna.
• Estudio y modificación del programa (requisito: código fuente disponible)
• Publicación del programa mejorado (Requisitos: código fuente disponible)
Art. 3.- Las entidades de la Administración Pública previa la instalación del
software libre en sus equipos, deberán verificar la existencia de capacidad técnica
que brinde el soporte necesario para el uso de este tipo de software.
Art. 4.- Se faculta la utilización de software propietario (no libre) únicamente
cuando no exista una solución de Software Libre que supla las necesidades
requeridas, o cuando esté en riesgo la seguridad nacional, o cuando el proyecto
informático se encuentre en un punto de no retorno.
Para efectos de este decreto se comprende como seguridad nacional, las
garantías para la supervivencia de la colectividad y la defensa de patrimonio
nacional.
Para efectos de este decreto se entiende por un punto de no retorno, cuando el
sistema o proyecto informático se encuentre en cualquiera de estas condiciones:
• Sistemas en producción funcionando satisfactoriamente y que en un
análisis de costo beneficio muestre que no es razonable ni conveniente una
migración a Software Libre.
• Proyecto en estado de desarrollo y que un análisis de costo- beneficio
muestre que no es conveniente modificar el proyecto y utilizar Software Libre.
- 49 -
PREGUNTA CIENTÍFICA A CONTESTARSE
¿Es posible eliminar o reducir el nivel desalineación de antenas de radioenlaces
instalados en un ambiente marítimo, mediante un sistema basado en hardware y
software libre, que detecte los cambios y movimientos del nodo de comunicación?
DEFINICIONES CONCEPTUALES
Azimut. - Es la distancia angular horizontal a una dirección de referencia.
Elevación. - Es el ángulo vertical medido desde una dirección de referencia.
Ondas decamétricas. - el segmento que corresponde a HF (Frecuencias altas),
y está comprendido entre las frecuencias 3 hasta 30 Mhz.
Proa. - Parte delantera de una embarcación.
Popa. - Parte trasera de una embarcación.
Eslora. - Longitud de una embarcación desde la proa a la popa.
Babor. - Lado izquierdo de la embarcación mirando hacia proa.
Estribor. - Lado derecho de la embarcación mirando hacia proa.
Asiento. - Diferencia de calados entre proa y popa.
Calado. -Profundidad que alcanza en el agua la parte sumergida de una
embarcación.
Escora. - Inclinación del barco con respecto a la vertical por la fuerza del viento,
el ladeamiento de la carga u otra causa.
Borneo. - movimiento circular que describe un buque alrededor de la posición de
fondeo.
- 50 -
CAPÍTULO III
PROPUESTA TECNOLÓGICA
Las antenas sufren los mismos movimientos que experimentan los elementos
donde están instaladas. Y en el mar, un objeto flotante como un barco está
expuesto a movimientos de 6 grados de libertad: 3 ejes perpendiculares y 3 de
rotación, cada uno independiente de los otros. Pero debido a que los barcos deben
mantenerse a cierta distancia de otras embarcaciones y la larga distancias a la
que se encuentran del puerto en tierra, los movimientos de translación se vuelven
despreciables, pues es posible volver a apuntar la antena a su objetivo barriendo
los ejes de rotación.
Para lograr disminuir las rupturas de los enlaces inalámbricos se debe poder
estabilizar cada eje bajo los movimientos de excitación de la base, buscando
continuamente el puerto, y ajustando el azimut y la elevación de la antena de forma
que no perciba los movimientos del nodo sobre los que está instalada. El control
de alineación es básicamente un problema de rechazo de perturbaciones y
búsqueda continua del otro extremo del enlace, en donde cada eje actúa gracias
a una placa Arduino.
Para la elaboración del prototipo se tuvo muy en cuenta la utilización de un modelo
que mantenga cierto grado de simetría en cada una de sus partes, procurando
mantener el centro de rotación de los ejes iguales tanto como sea posible.
Además, gracias a una solución adicional que se plantea denominada
“Herramienta de referencia de Patrones de Radioenlaces”, la cual consiste en una
aplicación basada en Processing que mediante conexión alámbrica o inalámbrica
permita observar en tiempo real como cambian los ajustes de la orientación de la
antena, podemos comprobar que se encuentre apuntando hacia el extremo en
donde se encontraría instalado el otro nodo de red.
El sistema propuesto utiliza el lenguaje de programación Arduino que con la ayuda
del módulo MPU6050 permite medir el nivel de movimiento de los tres ejes de
rotación de los nodos para, a través de servomotores, poder estabilizar los niveles
de balanceo, de giro, y de inclinación; asegurándonos que los ajustes azimut y
elevación apunten siempre al nodo de destino; y consta básicamente de:
- 51 -
Cuadro No. 19: Partes del sistema propuesto
Componente Función
Base Protege los “equipos de comunicación” o los elementos
lógicos del sistema.
Yaw
Encargado del giro de izquierda a derecha en el eje vertical
cuando la nave cambia su sentido girando a babor o estribor
a voluntad o por efecto del viento.
Yaw-Pitch Vínculo entre el eje vertical y el eje transversal.
Pitch
Encargado de la inclinación de adelante hacia atrás en el eje
“transversal” cuando la nave presenta asiento aproado o
apopado, o por efecto del oleaje.
Pitch-Roll Vínculo entre el eje “transversal” y el eje “longitudinal”.
Roll
Encargado de la inclinación de lado a lado en el eje
“longitudinal” cuando la nave pasa de estado adrizada a
escorada por efecto del viento o del oleaje.
Plataforma La cual simularía la superficie sobre la que se instalaría la
antena de radioenlace.
Elaboración: Erick Villamar Fuente: Erick Villamar
ANÁLISIS DE FACTIBILIDAD
Tanto características tecnológicas como sociales proporcionan información de
vital importancia para definir las posibilidades de que se pueda llevar a cabo un
proyecto; o bien, obtener recomendaciones para su mejora. Así que para alcanzar
una evaluación de que tan factible podría llegar a ser el sistema propuesto se han
considerado las siguientes componentes:
- 52 -
Factibilidad operacional
Dado el gran impacto social y operacional que tienen las redes de banda ancha
resulta necesario brindarles a los usuarios comunicaciones confiables, por lo que
para medir el nivel de factibilidad operacional es necesario plantear las siguientes
interrogantes:
¿Existe apoyo suficiente para el proyecto por parte de la administración? ¿Y
por parte de los usuarios?
Una de las principales motivaciones para el desarrollo de este proyecto radica en
impulsar la implantación de nuevas tecnologías de comunicación, que estén al
alcance para aquellos usuarios de baja fortuna, pero que representan parte de una
industria de gran importancia para cualquier país en desarrollo.
¿Los métodos que actualmente se emplean son aceptados por todos los
usuarios?
Los principales argumentos para impulsar el uso de soluciones inalámbricas de
banda ancha en entornos marítimos son las demandas provenientes de las
necesidades de la tripulación. Mientras que los usuarios de sectores más humildes
como la industria pesquera expresan que no tienen ninguna forma de
comunicación durante su estancia en mar, aquellos que tienen acceso a redes
satelitales manifiestan que su uso es exclusivo para la ejecución de operaciones
marítimas debido a los elevados precios por Megabyte que conllevan.
¿Los usuarios han participado en la planeación y en el desarrollo del
proyecto?
Son varios los factores que hay que considerar para una correcta propagación de
señales en ambientes marinos. Por lo tanto, la participación de los usuarios es
necesaria para cubrir la mayor parte de dificultades de este entorno, y las
herramientas Open Source son idóneas para lograr este acometido, pues
cualquier conocimiento que se derive de estas pueden ser adaptadas en beneficio
de la comunidad.
- 53 -
Factibilidad técnica
Gracias a la semejanza de los principios que siguen el software y hardware libre,
se asegura el plano de neutralidad entre tecnologías actuales y las que surjan con
el tiempo. El uso de hardware libre permite la flexibilidad de adquirir los
componentes necesarios para la implementación, o bien construirlos nosotros
mismos; y la práctica de un lenguaje de programación tan flexible como Arduino
ofrece la oportunidad de que el sistema sea mejorado, o a su vez servir de base
para el desarrollo de nuevos sistemas adaptándolo a las necesidades requeridas.
Factibilidad Legal
Para poder transmitir información a través de los radioenlaces es necesario hacer
uso del espectro electromagnético; el cual, al ser un recurso limitado, es propiedad
del Estado. Para su uso es necesario obtener el permiso correspondiente,
denominado Título Habilitante, de una determinada banda de frecuencia; o bien
hacer uso de bandas libres.
El sistema propuesto no hace uso del espectro radioeléctrico; es una solución
tecnológica pensada para aquellas telecomunicaciones que se enmarquen en el
ámbito legal correspondiente, por lo que no incurre en el incumplimiento de
cualquier reglamento constitucional, sino más bien está amparado por normativas
que impulsan las tecnologías libres y formatos abiertos, articulados en:
Constitución de la República, Plan Nacional de Gobierno electrónico, Código
Orgánico de Economía Social de los Conocimientos, Creatividad e Innovación,
entre otros.
Factibilidad Económica
Uno de los mayores impedimentos a la hora impulsar nuevos proyectos son los
gastos que conllevan, que surgen habitualmente por depender solo de tecnológica
privativa. Y si bien la gran reducción de los costos de producción de las
herramientas Libres ha permitido aumentar su trascendencia en los últimos años,
las implicaciones de su uso no son solo económicas.
- 54 -
Existen herramientas que vienen incluidas en los equipos de radiocomunicación
que ayudan en el proceso de alineamiento de los enlaces, pero requieren de la
presencia de técnicos instaladores, lo que reduce su utilidad en un ambiente
marítimo pues esto no asegura que el enlace no vuelva a desalinearse, y por lo
tanto el recurso humano sería continuo. De igual forma, existen mecanismos que
permiten realizar la configuración del posicionamiento en azimut y elevación de
las antenas, incluso llevan implementándose para el alineamiento en los enlaces
satelitales para navíos desde algún tiempo atrás. Pero, todos estos sistemas
asociados a tecnología satelital conllevan precios elevados, especialmente un
sistema de tres ejes. Si bien un sistema de dos ejes tiene ventajas de compacidad
y ligereza, estas necesitan de complejas transformaciones de coordenadas para
calcular los ángulos de elevación y acimut, ya que solo usan dos ejes para
compensar los tres movimientos de rotación de la nave; si bien son perfectas para
apuntar a un satélite, esto es debido a la gran distancia a la que se encuentran.
En un ambiente marítimo resulta ser necesario un sistema que permita realizar los
ajustes de posición de la antena mediante movimientos más adaptables a las
condiciones a las que serán expuestas en el mar, y un sistema de tres ejes puede
compensar los movimientos de rotación de una embarcación. Por lo tanto, se
puede tener un algoritmo simple en comparación con un sistema de dos ejes, y el
sistema propuesto resulta especialmente adecuado gracias a su bajo costo y
compatibilidad con herramientas de código abierto que ofrecen la oportunidad de
contribuir con su desarrollo o mejora.
ENTREGABLES DEL PROYECTO
Para permitir la adecuación o mejora que se pueda incluir a la presente propuesta
se anexa el manual que detalla la elaboración del prototipo, las herramientas y
códigos utilizados, así como su diseño esquemático para medir su funcionabilidad.
- 55 -
ETAPAS DE LA METODOLOGÍA DEL PROYECTO
La guía del PMI para el conjunto de conocimientos de gestión de proyectos en su
sexta edición, divide la gestión de proyectos en cinco grupos o etapas. El siguiente
cuadro muestra una descripción de las etapas del proyecto y en la sesión de
Anexos se puede encontrar en detalle cada una de las actividades realizadas y su
tiempo dedicado en base al cronograma y a la guía PMBOK®.
Cuadro No. 20: Procesos de gestión de proyectos
Inicio
Se basa en el análisis de la viabilidad del proyecto,
teniendo en cuenta factores como el tiempo, los recursos
y el costo. Se plantea qué alcance debe tener el proyecto,
los plazos de entrega y la calidad que se pretende.
Planificación El objetivo de esta fase será detallar las tareas y recursos
que serán necesarios para el desarrollo del proyecto.
Ejecución
Durante esta fase se establece el entorno de trabajo, y se
realizan las tareas planificadas. Es en esta fase donde
suelen surgir los problemas.
Supervisión
y control
Comprueba que se esté cumpliendo con toda la
planificación, de manera que se pueda responder rápida
y eficientemente ante los problemas que surjan.
Cierre
Consiste en evaluar el desarrollo de las fases anteriores,
para que en un futuro se puedan tomar decisiones más
seguras y realistas.
Elaboración: Erick Villamar Fuente: Guía de Fundamentos para la elaboración de Proyectos
- 56 -
CRITERIOS DE VALIDACIÓN DE LA PROPUESTA
Al tratarse de características de un modelo físico, se plantea una metodología de
validación basada en la experimentación, similar al utilizado en la investigación
científica y tecnológica.
La comprobación se realizó mediante el análisis del comportamiento del sistema
tomando una serie de movimientos de la Base del prototipo como muestras
representativas de los posibles en el campo de aplicación, contrastándolos con
los movimientos de rechazo de la Plataforma en dos ensayos de funcionamiento.
El primer ensayo fue realizado sobre una balsa al pie del río Guayas, a la altura
del Malecón 2000. La balsa fue ubicada contra la marea para intentar capturar el
mayor número de movimientos posibles durante un periodo de tiempo de 20
minutos, recibiendo cien datos por segundo, otorgándonos un total de 127000
muestras representativas. Si bien esta prueba tiene una base real, por razones
obvias se sitúa en un orden magnitudinal inferior al que se da en una embarcación
mayormente alejada de la costa.
Gráfico No. 20: Ensayo de funcionamiento número 1
Elaboración: Erick Villamar
Fuente: Erick Villamar
Por esto, se realizó un segundo ensayo adaptado a estos efectos para aprovechar
más su estudio, y consistió en acoplar el prototipo sobre un juego mecánico al que
se le aplicó movimientos de mayor magnitud para medir la respuesta del prototipo
en este caso, durante un periodo de tiempo menor (3 minutos) y recibiendo por lo
tanto una menor cantidad de datos (18000).
- 57 -
Gráfico No. 21: Ensayo de funcionamiento número 2
Elaboración: Erick Villamar
Fuente: Erick Villamar
Ciertamente, el mejor modo de verificar la propuesta en un contexto como el
descrito anteriormente sería a través de ejercicios reales, sobre una embarcación
mayormente alejada de la costa en aguas de mayor oleaje. No obstante, una
verificación de estas características hubiera requerido dilatar en exceso el cierre
del trabajo, puesto que analizar este único caso abarcaría otros factores que
dependen de la temporada, clima, tiempo; todos, elementos que pueden variar al
momento de la recolección de los datos, afectando así la muestra. A pesar de ello,
para esta verificación no se considera estrictamente necesario que las situaciones
de análisis sean cien por ciento reales, pues en un entorno de laboratorio, una
definición muy amplia de la investigación experimental es “que el científico puede
influir activamente en algo para observar sus consecuencias” (Explorable, 2019).
Cabe recalcar que debido al carácter de la propuesta, en su evaluación no podrá
llegarse a un resultado evidente e indiscutible como el relativo en la
experimentación física, pues en coherencia con el planteamiento de verificación
deben determinarse las características principales que afectan al sistema
propuesto, que como ya se ha mencionado con anterioridad corresponden a los
movimientos Yaw, Pitch, y Roll al que está sometido un cuerpo en el mar.
Estos tres ejes de análisis suponen una considerable simplificación de la realidad,
pues dependen completamente del azar, por lo que pueden existir una gran
cantidad de variantes en cada uno de ellos (basta considerar por ejemplo que al
momento de la toma de datos se realizaban algunos tipos de obras civiles sobre
el lecho del río, como parte del proyecto de la Aerovía con ruta de Guayaquil a
- 58 -
Durán), y debido a esta heteroscedasticidad que presentan nuestras variables se
imposibilita el uso de un procedimiento confiable y con mayor firmeza de
resultados de aceptación o rechazo de una prueba de hipótesis como lo es la
estadística paramétrica, ya que el mayor supuesto para su práctica es la
normalidad que deben seguir las variables.
Gráfico No. 22: Barcazas para obra Aerovía de la ruta Guayaquil-Durán
Elaboración: Erick Villamar
Fuente: Erick Villamar
Este supuesto no es requerido para la estadística no paramétrica, ya que la
utilización de este método se hace recomendable cuando no se puede asumir que
los datos se ajusten a una distribución conocida, es decir, que el modelo no tiene
por qué ser homocedástico. No obstante, a pesar de sus limitaciones, este
esquema aporta un marco de comprobación dentro de un área de aplicabilidad de
la propuesta, de tal modo que lo determinante en la verificación no será tanto la
precisión de la alineación del prototipo (pues esta puede mejorar en gran medida
con los elementos que se utilicen), sino más bien el aspecto metodológico,
concretado en la utilidad del uso de software y hardware libre que introduce el
sistema propuesto para reducir el problema que se expone. Por lo tanto, lo que se
pretende demostrar es que la propuesta es aplicable.
Así pues, según este criterio, y con la perspectiva de la limitación que toda
comprobación implica, se plantea la verificación de la propuesta.
- 59 -
PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS
Para facilitar el análisis de las variables, los datos fueron exportados al software
estadístico SPSS. Pero, para una mayor organización al momento de visualizar el
comportamiento de las variables, se disminuyó el valor de una de ellas, de tal
forma que gráficamente se puedan apreciar al menos las tres variables. Mas
concretamente, se dio la orden a la placa Arduino que el valor que recibía de la
variable roll, una vez procesada nos la devuelva dividida entre diez. Esto en ambos
sistemas (Base y Plataforma), de modo que mantiene una igualdad.
Antes que todo, para comprobar la normalidad de nuestras variables, y conocer
con qué tipo de pruebas trabajar, aplicaremos a cada variable la prueba de
Kolmogórov-Smirnov (o prueba K-S), la cual
compara la función de distribución (probabilidad acumulada) teórica con la
observada, y calcula un valor de discrepancia, representado habitualmente
como D, que corresponde a la discrepancia máxima en valor absoluto entre
la distribución observada y la distribución teórica, proporcionando
asimismo un valor de probabilidad P, que corresponde, si estamos
verificando un ajuste a la distribución normal, a la probabilidad de obtener
una distribución que discrepe tanto como la observada si verdaderamente
se hubiera obtenido una muestra aleatoria, de tamaño n, de una
distribución normal (Scientific European Federation Of Osteopaths, 2019).
𝐹𝑁(𝑥) =1
𝑁∑ {
10
}𝑛𝑖=1
𝑆𝑖 𝑦𝑖 ≤ 𝑥,𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎
𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑑𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑙𝑎𝑠 𝑡𝑎𝑙 𝑞𝑢𝑒
𝐷𝑛+ = max (𝐹𝑛(𝑥) − 𝐹(𝑥))
𝐷𝑛− = max (𝐹(𝑥) − 𝐹𝑛(𝑥))
donde 𝐹(𝑥) es la distribución presentada como hipótesis.
El contraste de hipótesis nos permite elegir una hipótesis de trabajo entre dos
posibles y mutuamente exclusivas:
𝐻0 = 𝐻𝑖𝑝ó𝑡𝑒𝑠𝑖𝑠 𝑛𝑢𝑙𝑎
𝐻1 = 𝐻𝑖𝑝ó𝑡𝑒𝑠𝑖𝑠 𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎
- 60 -
La hipótesis nula sugiere una hipótesis de no cambio, por lo que representa la
hipótesis que mantendremos a no ser que los datos indiquen su falsedad; por el
contrario, la hipótesis alterna representa la negación de la hipótesis nula. Incluye
todo lo que la hipótesis nula excluye (Universidad de Ganada, 2019).
Cuando se ejecutan las pruebas con el SPSS se obtiene el valor del estadístico y
el valor P de probabilidad del contraste. Si esa probabilidad es grande no habrá
razones estadísticas para suponer que nuestros datos no proceden de una
distribución, mientras que si es muy pequeña, no será aceptable suponer ese
modelo probabilístico para los datos.
Por tanto y partiendo de los supuestos:
𝐻0 = 𝑇𝑒𝑛𝑑𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑐𝑖ó𝑛 𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙
𝐻1 = 𝑆𝑖𝑛 𝑡𝑒𝑛𝑑𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑐𝑖ó𝑛 𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙
Se rechaza 𝐻0 si el valor 𝑠𝑖𝑔 obtenido es menor que el nivel de significancia. Que
para nuestro propósito será del 0,05. Es decir 95%.
Cuadro No. 21: Prueba de normalidad a variables analizadas
K-S para 1er ensayo para 2do ensayo
N Est. Sig N Est. Sig
Roll_Barco 127000 ,011 ,000 18900 ,106 ,000
Pitch_Barco 127000 ,042 ,000 18900 ,102 ,000
Yaw_Barco 127000 ,093 ,000 18900 ,205 ,000
Roll_Antena 127000 ,058 ,000 18900 ,041 ,000
Pitch_Antena 127000 ,020 ,000 18900 ,042 ,000
Yaw_Antena 127000 ,077 ,000 18900 ,095 ,000
Elaboración: Erick Villamar Fuente: Erick Villamar
- 61 -
Comprobamos que el nivel de significancia (sig) para todas nuestras variables de
ambos ensayos son menores a 0,05. Por lo que podemos rechazar la hipótesis
nula y aceptar la hipótesis alterna, lo que significa que nuestras variables no se
distribuyen de manera normal.
Sabiendo esto debemos considerar un tipo de estadístico para medir el grado de
asociación que nuestras variables, es decir que tanto el cambio de una variable
afecta a la otra. Y la que mejor se adapta a nuestros parámetros es la correlación
de Spearman.
La correlación de Spearman asume una función monotónica arbitraria para
describir la relación entre dos variables, sin hacer ningunas asunciones sobre la
distribución de frecuencia de las variables. Su estadístico viene dado por:
𝑟𝑅 = 1 −6 ∑ 𝑑𝑖
2𝑖
𝑛(𝑛2 − 1)
Donde 𝑑𝑖 es la diferencia de rango del elemento 𝑛.
Y puede tomar valores que nos indicará la fuerza de correlación entre las
variables analizadas de la siguiente forma.
Si el valor de 𝑟𝑅:
• es -1, hay una correlación negativa perfecta.
• se encuentra entre -1 y -0.5, hay una fuerte correlación negativa.
• se encuentra entre -0.5 y 0, hay una débil correlación negativa.
• es 0, no hay correlación. Por lo que se acepta la hipótesis nula.
• se encuentra entre 0 y 0.5, hay una débil correlación positiva.
• se encuentra entre 0.5 y 1, hay una fuerte correlación positiva.
• es 1, hay una correlación positiva perfecta.
Entonces para la prueba de hipótesis partimos de los supuestos
𝐻0 = 𝑁𝑜 𝑒𝑥𝑖𝑠𝑡𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑚𝑜𝑣𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑏𝑎𝑟𝑐𝑜 𝑦 𝑙𝑎 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛𝑎
𝐻1 = 𝐸𝑥𝑖𝑠𝑡𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑚𝑜𝑣𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑏𝑎𝑟𝑐𝑜 𝑦 𝑙𝑎 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛𝑎
- 62 -
Y contrastamos los movimientos del barco de ambos ensayos
Gráfico No. 23: Variables de movimiento del barco del ensayo 1
Elaboración: Erick Villamar
Fuente: Erick Villamar
Gráfico No. 24: Variables de movimiento del barco del ensayo 2
Elaboración: Erick Villamar
Fuente: Erick Villamar
- 63 -
Con los movimientos que sufren las antenas instaladas sobre el prototipo
Gráfico No. 25: Variables de movimiento de la antena del ensayo 1
Elaboración: Erick Villamar
Fuente: Erick Villamar
Gráfico No. 26: Variables de movimiento de la antena del ensayo 2
Elaboración: Erick Villamar
Fuente: Erick Villamar
De tal forma que podamos interpretar las variables de forma independiente.
- 64 -
Análisis de Variable Roll
Gráfico No. 27: Comparación barco_antena de la variable roll del ensayo 1
Elaboración: Erick Villamar
Fuente: Erick Villamar
Gráfico No. 28: Comparación barco_antena de la variable roll del ensayo 2
Elaboración: Erick Villamar
Fuente: Erick Villamar
- 65 -
Cuadro No. 22: Comparación barco_antena de la variable roll del ensayo 1
Rho de Spearman Roll_Antena Roll_Barco
Coeficiente de correlación
Roll_Antena
1,000 -,352
Sig. (bilateral) ,000
Coeficiente de correlación
Roll_Barco
-,352 1,000
Sig. (bilateral) ,000
Elaboración: Erick Villamar Fuente: Erick Villamar
Cuadro No. 23: Comparación barco_antena de la variable roll del ensayo 2
Rho de Spearman Roll_Antena Roll_Barco
Coeficiente de correlación
Roll_Antena
1,000 -,148
Sig. (bilateral) ,000
Coeficiente de correlación
Roll_Barco
-,148 1,000
Sig. (bilateral) ,000
Elaboración: Erick Villamar Fuente: Erick Villamar
Interpretación: Dado que el valor P de significancia (sig) es menor a 0,05
debemos rechazar la hipótesis nula, y aceptar la hipótesis alterna. Esto significa
que aún los movimientos roll del barco afectan a los de la antena, pero en menor
medida, pues en ambos ensayos podemos observar que existe una débil
correlación negativa de 0,3 y 0,1. Lo que nos indica que esta fuerza de asociación
es menor.
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Análisis de Variable Pitch
Gráfico No. 29: Comparación barco_antena de la variable pitch del ensayo 1
Elaboración: Erick Villamar
Fuente: Erick Villamar
Gráfico No. 30: Comparación barco_antena de la variable pitch del ensayo 2
Elaboración: Erick Villamar
Fuente: Erick Villamar
- 67 -
Cuadro No. 24: Comparación barco_antena de la variable pitch del ensayo 1
Rho de Spearman Pitch_Antena Pitch_Barco
Coeficiente de correlación
Pitch_Antena
1,000 -,113
Sig. (bilateral) ,000
Coeficiente de correlación
Pitch_Barco
-,113 1,000
Sig. (bilateral) ,000
Elaboración: Erick Villamar Fuente: Erick Villamar
Cuadro No. 25: Comparación barco_antena de la variable pitch del ensayo 2
Rho de Spearman Pitch_Antena Pitch_Barco
Coeficiente de correlación
Pitch_Antena
1,000 -,571
Sig. (bilateral) ,000
Coeficiente de correlación
Pitch_Barco
-,571 1,000
Sig. (bilateral) ,000
Elaboración: Erick Villamar Fuente: Erick Villamar
Interpretación: Si el barco cabecea, la antena también tiende a cabecear, pues
también rechazamos la hipótesis nula o de igualdad, aceptando que existe una
correlación entre las variables pitch del barco y antena, manteniendo una
correlación baja en el primer ensayo; pero, en el segundo ensayo, en donde
variábamos los movimientos con mayor constancia, esta correlación es
mayormente fuerte.
- 68 -
Análisis de Variable Yaw
Gráfico No. 31: Comparación barco_antena de la variable yaw del ensayo 1
Elaboración: Erick Villamar
Fuente: Erick Villamar
Gráfico No. 32: Comparación barco_antena de la variable yaw del ensayo 2
Elaboración: Erick Villamar
Fuente: Erick Villamar
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Cuadro No. 26: Comparación barco_antena de la variable yaw del ensayo 1
Rho de Spearman Yaw_Antena Yaw_Barco
Coeficiente de correlación
Yaw_Antena
1,000 ,244
Sig. (bilateral) ,000
Coeficiente de correlación
Yaw_Barco
,244 1,000
Sig. (bilateral) ,000 ,
Elaboración: Erick Villamar Fuente: Erick Villamar
Cuadro No. 27: Comparación barco_antena de la variable yaw del ensayo 2
Rho de Spearman Yaw_Antena Yaw_Barco
Coeficiente de correlación
Yaw_Antena
1,000 ,253
Sig. (bilateral) ,000
Coeficiente de correlación
Yaw_Barco
,253 1,000
Sig. (bilateral) ,000
Elaboración: Erick Villamar Fuente: Erick Villamar
Interpretación: En el caso del movimiento Yaw, tampoco podemos aceptar la
hipótesis nula, por lo tanto, existe una correlación entre ambas variables, que en
este caso es débil. Algo que resalta en el primer ensayo es que si bien, podemos
observar que disminuye gran parte de la desalineación, tiende a cambiar de
dirección. Pues podemos visualizar en la gráfica que a mayor tiempo, la deriva la
deriva acumulada es mayor.
- 70 -
CAPÍTULO IV
CRITERIOS DE ACEPTACIÓN DEL PRODUCTO O
SERVICIO
Para medir y decidir el criterio de aceptación se valorará el cumplimiento de los
requerimientos expuestos en los alcances y objetivos propuestos.
Cuadro No. 28: Informe de aceptación
Requerimiento Criterio de
aceptación
1 Uso de software y herramientas Open Source y/o Free 100%
2 Construcción y pruebas mediante prototipo 100%
3 Captura de movimientos y giro mediante sensores 100%
4 Conservar ajustes azimut y elevación 100%
5 Re-apuntamiento hacia posición estimada 100%
Elaboración: Erick Villamar Fuente: Erick Villamar
Para los criterios de aprobación se considerará el estado las distintas etapas de
la metodología PMI utilizada para el desarrollo del proyecto.
Cuadro No. 29: Informe de aprobación
Etapa Estado
1 Inicio: Evaluación de la propuesta Revisado y Aprobado
2 Planificación: Desarrollo Capítulo I Revisado y Aprobado
3 Ejecución: Desarrollo Capítulo II y III Revisado y Aprobado
4 Control: Evaluación y desempeño Revisado y Aprobado
5 Cierre: Desarrollo Capítulo IV Revisado y Aprobado
Elaboración: Erick Villamar Fuente: Erick Villamar
- 71 -
CONCLUSIONES
● Los problemas discutidos en este documento muestran que las redes
marítimas de banda ancha aún requieren más investigación para permitir que las
ventajas que brindan sean accesibles tanto para los usuarios provenientes de
sectores civiles como industriales. Motivando su necesidad, se presentaron las
principales tecnologías que se pueden utilizar para implementar una red marítima,
y se identificaron las características que impactan negativamente en la estabilidad
de las antenas de radioenlaces dentro de este escenario.
● Haciendo uso de software y hardware libre se propuso un sistema simple
y de bajo costo para permitir minimizar los efectos de la desalineación de las
antenas, que surge como consecuencia de ser instaladas sobre elementos
flotantes. Un prototipo capaz de compensar los tres movimientos de rotación de la
nave se realiza con éxito; pero debido a la alta complejidad del uso de tecnologías
específicas, aún existen desafíos particulares para garantizar la implementación
de sistemas de TIC en el sector marítimo.
● Los resultados del análisis de los ensayos de funcionamiento del prototipo
demuestran que es capaz de rechazar la mayor parte del movimiento bajo la
excitación de tres grados de libertad de la Base, mostrando un error de
estabilización limitado del eje Yaw como resultado de la naturaleza de la IMU. Un
enlace expuesto a las condiciones marítimas durante periodos prolongados está
sujeto a una perdida tenue de la trayectoria del eje Yaw, causada por la continua
deriva.
- 72 -
RECOMENDACIONES
● Para apoyar los esfuerzos destinados a impulsar el estudio tecnológico del
sector marítimo, se podrían trabajar en asociaciones por parte de empresas,
institutos de investigación y universidades para potenciar y financiar la
investigación, desarrollo, y pruebas de tecnologías que aseguren la sostenibilidad
y el crecimiento de la industria. Bajo esta recomendación los estudiantes también
se beneficiarían de programas de formación como: oportunidades de pasantías,
misiones de estudio del campo, visitas en sitio y charlas de profesionales del
sector, facultando la inclusión de métodos para utilizar de manera efectiva la
información técnica y académica relacionada al mar, permitiendo que los sistemas
de gestión y los programas educativos se utilicen de manera interdisciplinaria.
● Dado que en la experimentación realizada no se puede contar con todas
las perturbaciones de los movimientos reales del barco, se deben programar
pruebas a bordo para verificar la efectividad del sistema en un entorno real. Para
mejorar la precisión de su orientación, se sugiere hacer uso de una brújula que
indique el rumbo magnético con el fin de proporcionar una dirección de referencia
al eje Yaw; además, si el prototipo es utilizado durante largos periodos, es
importante comprobar cada cierto tiempo que los ajustes de la antena no sufran
variaciones significativas.
● Con los efectos del movimiento del mar minimizados, es posible abordar
otros ajustes utilizando técnicas similares o existentes. Aún queda por estudiar:
• Comportamiento del sistema mediante ensayos a bordo.
• Perfeccionamiento de la condición de rotación de los ejes del sistema,
mediante la adición de detección de señales.
• Visualización de las estadísticas de los estados y niveles de señal.
• Optimización de los ángulos efectivos de los ejes del sistema.
• Cubrir otras problemáticas presentes en las redes marítimas.
- 73 -
ANEXO I
MODELO CONCEPTUAL DE PROPUESTA
a) Vista panorámica del sistema instalado en un entorno marítimo.
b) Vista superior, lateral y frontal del sistema instalado en una embarcación.
- 74 -
ANEXO II
TASAS DE DATOS DE SERVICIOS MARÍTIMOS
Tipo de servicio Servicio Data Rate requerido
Servicios comerciales
Ordenes de viaje 9.6 (kbps)
servicios portuarios
comerciales 9.6 (kbps)
Informe Operacional 9.6 (kbps)
Telemetría de carga 64 (kbps)
Pagos e inventarios 64 (kbps)
VoIP 140 (kbps)
Acceso a internet de
pasajeros 150 (kbps)
Entrenamiento de
tripulación 9.6 (kbps)
Información y
entretenimiento 1500 (kbps)
- 75 -
Tipo de servicio Servicio Data Rate requerido
Servicios de
operaciones
Datos del Clima 9.6 (kbps)
Reportes de las naves 9.6 (kbps)
Notificaciones de estado
a la Costa 9.6 (kbps)
Notificaciones de arribo
a puerto 9.6 (kbps)
Coordinación de Carga /
Descarga 100 (kbps)
Imágenes PPU / VTS 100 (kbps)
Coordinación de Amarre
/ Remolque 100 (kbps)
Actualizaciones de
cartas electrónicas 100 (kbps)
Proyecto “e-Navigation
Services” de Corea 1560 (kbps)
- 76 -
Tipo de servicio Servicio Data Rate requerido
Servicios de seguridad
Radar / AIS 100 (kbps)
GMDSS 10 (kbps)
Sensores mecánicos 10 (kbps)
Video 1500 (kbps)
LiDAR 2000 (kbps)
Cámaras Infrarrojas 1000 (kbps)
Coordinación VTS 100 (kbps)
SAR 100 (kbps)
Recolección de datos 1500 (kbps)
Datos del Departamento de Investigación Ambiental y de Seguridad Marina,
Instituto de Investigación de Barcos e Ingeniería Oceánica de Corea (KRISO) que
presentó como soporte para para la aplicación del sistema de navegación
electrónica SMART y la infraestructura digital marítima de Corea, de acuerdo al
plan de comunicaciones de radio marítima (MRCP) desarrollado por la Asociación
Internacional de Ayudas a la Navegación Marítima y Autoridades de Faros (IALA).
- 77 -
ANEXO III
ENTREVISTA REALIZADA A EXPERTO DEL ÁREA
- 78 -
- 79 -
- 80 -
- 81 -
ANEXO IV
ANALISÍS ESTADISTICO EN SPSS
- 82 -
- 83 -
- 84 -
- 85 -
ANEXO V
CRONOGRAMA DEL PROYECTO
- 86 -
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