Resumen—Este trabajo consiste en la descripción del

trabajo realizado por los equipos de investigación del laboratorio de submarinos de la UPCT, del submarino autónomo Aegir, de la experiencia realizada en noviembre de 2011, en una misión científica de exploración oceanográfica en el Mar Menor, Murcia. Se describe los elementos del submarino y los retos para el futuro.

Palabras clave—Exploraciones oceanográficas, robot navegadores, vehículos submarinos autónomos (AUV), mar Menor, navegación automática.

I. INTRODUCCIÓN

OS vehículos autónomos submarinos (AUV) son robot submarinos con capacidad de movimiento y

desarrollo de misiones bajo el agua sin que sean comandados directamente por un operador, por tanto los AUV disponen de autonomía energética e inteligencia suficiente para llevar a cabo las tareas programadas [1], [2], [3], [4] y [5].

Los AUV’s forma parte de un gran grupo de sistemas submarinos conocidos como Vehículos Submarinos no tripulados (UUV), una clasificación que incluye Vehículos Submarinos Teleoperados, estos son vehículos submarinos que son operados de forma remota desde una estación en la superficie del mar, comúnmente denominados Vehículos Operados a Distancia (ROV).

Los Vehículos Submarinos no tripulados (UUV) se han desarrollado para llevar a cabo misiones submarinas como facilitar la monitorización de las zonas costeras, desactivación de minas submarinas, estudios oceanográficos y arqueología submarina.

El Laboratorio de Vehículos Submarinos de la UPCT – Isaac Peral – es un grupo de investigación multidisciplinario con experiencia en Oceanografía Biológica, Arquitectura Naval, Ingeniería Oceánica, Robótica, Redes Neuronales Artificiales, Electrónica y Telecomunicaciones. En la actualidad el laboratorio está situado en el Centro de Desarrollo e Innovación Tecnológica de la UPCT ubicado en el Parque Tecnológico de Fuente Álamo y en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Naval y Oceánica de Cartagena. El objetivo de este equipo es el desarrollo de equipos y técnicas útiles para la exploración del océano.

* Corresponding author: antonio.guerrero@upct.es (Antonio Guerrero González) Published online at http://journal.sapub.org/xxx Copyright © year Scientific & Academic Publishing. All Rights Reserved

Este laboratorio se ha constituido durante el año 2010, y en este momento dispone de varios proyectos concedidos para la exploración del Mar Menor [6] y el diseño de vehículos submarinos.

Una de las líneas de investigación en el campo de la inteligencia artificial es la aplicación de redes neuronales de inspiración biológica para el control y la generación de trayectorias [7], [8] y [9].

II. VEHÍCULO SUBMARINO AEGIR.

El vehículo submarino de la empresa Gaymarine S.R.L, perteneciente a la Armada Española, fue solicitado en cesión por motivos de desuso e inoperatividad, ya que tiene una antigüedad de más de 30 años. Esta cesión tiene un tiempo de duración de unos cuatro años ampliables, de los cuales, ya se ha cumplido uno. El vehículo se encontraba en un estado bastante deteriorado, dañado y en desuso, la mayoría de su instrumentación y componentes no funcionaban.

Fig. 1. Estado del vehículo submarino recién cedido.

Al vehículo submarino desde que fue cedido ha sufrido numerosos cambios, los más importantes son los que se apreciar en las siguientes fotos, destacando el color rojo y con una franja amarilla en medio imitando los colores de la bandera española. También las modificaciones que ha sufrido en la cabeza, donde se le ha hecho un agujero para instalar un pivote con 4 tomas para pasar cables, encima el nuevo sonar instalado y una nueva toma de chigre para pasar el cable umbilical que conecta el submarino con el exterior.

Vehículo Submarino Autónomo para trabajos oceanográficos en aguas costeras

Antonio Guerrero González1, Tomás López Maestre2, Javier Gilabert Cervera3, Javier García-Vidal Simón4, Antonio Zamora Ayala5, Inocencio González Reolid6

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Fig. 2. Diferencias del Vehículo Submarino Aegir..

El interior del submarino es lo que mayor cambio ha sufrido, debido a las reparaciones e instalación de los nuevos dispositivos. Se muestra de forma separada y generalizada el interior del submarino. Como se puede observar en las Fig. 3 y Fig. 4, el submarino dispone de cinco motores, diez baterías de plomo-ácido, las seis primeras son las baterías de potencia destinadas a alimentar los motores, las dos últimas son las baterías de control encargadas de alimentar toda la electrónica y las dos que se forman de los laterales están dispuestas como apoyo en el momento que se determinen como por ejemplo pasar los motores del modo 24V a 48V.

Se ha dispuesto de una caja de conexión de los motores y la cRIO(Compact RIO) junto a la tarjeta controladora de las señales y algunos suministros eléctricos, en la zona de las baterías, a la izquierda de estas, están las conexiones de las señales que vienen de la cabeza y los cable de suministro de alimentación que provienen de las baterías.

Fig. 3. Imagen del interior del Submarino, zona de los motores 1, 2,3 y 4 y cRIO 9022.

En la Fig. 5 se puede ver el interior de la cabeza, donde podemos apreciar algunos de los componentes añadidos como el GPS, la cámara, IOLAN DS1, el switch, etc. El pequeño botón que se puede visualizar es el de pruebas del sensor de inundación, al pulsarlo se hace un corto para probar que este sensor funciona perfectamente.

Fig. 4. Foto del interior del Submarino, zona de las baterías y motor 5.

La cRIO es la unidad de procesamiento de todas las señales tratadas en el programa, exceptuando las que son tratadas a alto nivel o a nivel CPU, como la cámara de red, el GPS o el sónar. La controladora es el modelo 9022, su chasis el 9113 de cuatro puertos, de los cuales dos de ellos son utilizados. El módulo 1 es el 9477 de salidas digitales por lo que a nivel de programación, sólo llegan señales booleanas, si se necesitan otros datos serían entradas analógicas, es el caso del módulo 2, el 9205 de entradas analógicas, donde a la CPU llegan en forma de datos numéricos de tipo doublé precisión.

Fig. 5. Imagen del interior de la cabeza del Submarino, zona de la cámara, GPS, IOLAN, etc.

El módulo 1 recoge las señales de activación de todos los motores y el cambio de dirección de los motores, además de la señal de activación de focos, modo 24V-48V, movimiento de la cabeza, dirección de la cabeza, activación de ventiladores del cuerpo y otras señales (como indicadores, micromotor1, micromotor2 o DC-DC) no descrito en este trabajo. El módulo 2 recoge temperatura, humedad, nivel de las baterías, potencia y control, inundación, profundidad y posición de la cabeza. Hay que aclarar que estos datos llegan por dos entradas distintas, es decir, profundidad: tiene la señal profundidad (+) positiva y la señal profundidad (-) negativa, las cuales hay que tratarlas como datos diferenciales para que estas dos se unan en una sola y conseguir así los datos reales deseados.

Fig. 6. Imagen del sónar Micron DST montada en la cabeza del Submarino Aegir..

El sónar se encuentra conectado por puerto serie al conversor IOLAN DS1, Fig. 6, este cable serie es especial ya que 2 de sus pines se usan para dotar de corriente al sónar que durante las pruebas se ha usado una fuente de alimentación y durante las pruebas en el agua la alimentación la proporciona una batería que se encuentra en la cabeza del vehículo submarino.

Fig. 7. Cámara IP en el interior de la cabeza del Submarino Aegir..

En la Fig. 7 se aprecia la cámara de red, está sujeta sobre un soporte en la parte inferior de la cabeza, para que quede centrada en uno de los huecos destinados a los dispositivos de visión, la cámara va cableada con Ethernet hasta el switch de la cabeza, de este al switch del cuerpo y de este al router.

El conversor permite transformar la señal del puerto serie a Ethernet (RJ-45). Durante las pruebas en tierra se ha usado un cable RJ-45 cruzado, para realizar una conexión directa con el conversor. Durante las pruebas en agua se encuentra conectado a un switch común para varios dispositivos.

El sónar está colocado de forma que esté siempre orientado hacia el frente, aunque puede hacer rondas de 360°, lo normal sería hacerlas en momentos puntuales y mantenerla casi siempre en modo de rastreo de 90º ó 180°, el cable va por dentro de tubos que se ven en la Fig. 8, dispone de dos entradas para cables delgados y las otras dos restantes para cables más gruesos.

La antena GPS, aquí no mostrada, dispone de un cable de 1,5 metros, se encuentra instalada en la parte interior y superior del casco de la cabeza, el submarino al estar fabricado en resina de gran grosor, permite la transmisión y recepción de señales GPS, móviles, Wifi, etc.

Los convertidores serie Ethernet se encuentran ambos situados en una de las estructuras metálicas que hay en la cabeza, uno es para el sónar del submarino y el otro

para la unidad inercial. Cada uno dispone de configuraciones diferentes, ya que el del sónar está pensado para ser usado en la Tablet y el sistema inercial sobre el portátil.

En la Fig. 9 se ven dos fotos de los switch, uno se encuentra instalado en la cabeza para unificar las señales de red de la cámara, del sónar y de la unidad inercial y la otra es para conectar con el switch del cuerpo. El switch del cuerpo recibe la señal Ethernet de la cabeza, de la cRIO y la que enlaza con el router exterior a través del cable umbilical.

El sensor de temperatura, aunque dispone de una pantalla digital para mostrar la temperatura, dicha pantalla no es útil, ya que el submarino estará cerrado, la señal se transmite al módulo 2 de entradas analógicas de la cRIO. Para detectar la temperatura, el sensor dispone de un sensor puntiagudo ubicado en un lado de las baterías del cuerpo, Fig. 10.

Fig. 8. Conversor y unidad inercial en el interior de la cabeza del Submarino Aegir.

Fig. 9. Los Switch en el interior de la cabeza y del cuerpo del Submarino Aegir.

Al igual que el sensor de temperatura, el sensor de humedad utiliza también el módulo 2 de entradas analógicas para transmitir la señal al programa de monitorización, se encuentra montada en una pequeña tarjeta, porque el sensor funciona a 5V y es necesario utilizar un regulador de tensión de 5V.

Fig. 10. Sensor de temperatura y humedad en el interior del cuerpo del Submarino Aegir..

El sistema inercial necesita de uno de los dos conversores IOLAN DS1 utilizados en el submarino, Fig. 11, se consigue convertir las señales de los cables del puerto serie, en paquetes que pueden ser enviados y

tratados vía Ethernet, Fig. 12, así se unificar los elementos necesario dentro de la extensa red Ethernet que se ha instalado, para simplificar el transporte de datos y cables que salen del submarino, Fig. 13 y Fig. 14.

Fig. 11.Esquema conexiones sonar, GPS, cámara y Switch del Submarino Aegir.

Fig. 12.Esquema del control inalámbrico por router del Submarino Aegir.

Fig. 13.Esquema de conexiones módulos entradas digitales y analógicas del Submarino Aegir.

Fig. 14. Esquema conexiones sensor de temperatura y humedad y mando Logitech de control a distancia.

III. EMBARCACIÓN DE SUPERFICIE ARRASTRADA.

Uno de los principales riesgos del desarrollo de un AUV es la posibilidad de perder el vehículo en test o misiones en mar abierto. La peor condición que se puede plantear es en operaciones sin conexión con la superficie, sin posicionamiento GPS o la trayectoria bajo el mar establecida.

La implementación de algoritmos autónomos en AUV implica un gran riesgo de perder el vehículo, por esta razón la solución adoptada para reducir estos riesgos en pruebas en mar abierto es el diseño, fabricación y conexión de un vehículo remolcado en la superficie al AUV.

En la Fig. 15 se ve una foto del AUV/ROV Aegir y vehículo remolcado en pruebas en el Mar Menor.

Descripción conexión submarino-superficie.

a) Entorno submarino-Conexión con la superficie. Unido mediante un cable submarino con protección de Kevlar, 1000Kg de capacidad de arrastre, compuesto por 6 cables de alimentación y 1 cable de comunicación Ethernet. Características del cable FALMAT FMXCAT51806K12, 6 conductores 18AWG, (sección del cable 1mm2), 1 cable de datos CAT5 (4TO).

b) Comunicación de datos entre el vehículo remolcado en superficie y el barco de apoyo o la estación en puerto.

Descripción amplificador WiFi. Procesador: Atheros AR2313 SOC, MIPS 4KC, 180MHz. Memoria: 16MB SDRAM, 4MB Flash.

Interfaz de Ethernet: 10/100 BASE-TX (Cat. 5, RJ-45) Ethernet Interface. Antena integrada: Conector. TX Power: 20dBm, +/-1dB. RX Sensitivity: -97dBm +/-1dB Distancia: 5Km. Amplitud de banda TCP/IP: 25Mbps+ Tamaño: 15,2 x 3,7 x 3,1 cm. Peso: 0.18 Kg. Características de la cubierta: UV plastic. Consumo máximo: 4 Watios. Electric Supply: 12V, 1A (12 Watios) Pasive supply: Alimentación pasiva sobre Ethernet (pares 4.5+; 7.8 regeneración). Temperatura de trabajo: -20 ºC a 70 ºC. Condiciones de humedad: 5 a 95% condensado. Choque y vibración: ETSI300-019-1.

Descripción de la antena:

Especificaciones eléctricas: Rango de frecuencia: 2400~2500MHz Ganancia: 14.5±0.5dBi VSWR 1.8: 1 máx impedancia 50Ω. Polarización linear vertical. HPBW / Horizontal 9° HPBW / Vertical 11° Front back ratio 25dB. Alimentación de manipulación: 50w (cw). Conector N hembra. Resistencia al viento: 180Km/hr. Temperatura: 40°C~+80°C Humedad: 100%@25°C. Protección contra DC ground: opcional. Gama de colores: Gris-Blanco. Gama materiales: ABS, Zinc casting. Peso: 3Kg. Dimensiones: H1860 x D40mm.

c) Generación de energía desde la superficie para aumentar la autonomía y tiempo de operación del vehículo submarino.

d) Sistema de posicionamiento global. El vehículo de superficie dispone de un sistema GPS, de cálculo de trayectorias, de posicionamiento y dirección del vehículo remolcado. Combinando los datos de la plataforma submarina y la profundidad generan la posición de operación, por otro lado en caso de pérdida del vehículo se acota la zona de búsqueda.

Fig. 15. Fotografía de la embarcación con generador y Submarino Aegir.

TABLA I

CHARACTERISTICAS DEL GENERADOR DE ENERGÍA

Modelo Lanzarote Alternador Multipolar

Sistema de estabilidad Modulación invertida

Distorsión 3% Potencia máxima 2,2kva Potencia nominal 2,0kva

Volumen 125cc Capacidad de aceite 0,45 L 10W40

Capacidad de gasolina 7l Autonomía 50% 6,5 horas

Nivel de sonido (7metros vacio)

65dB

Sistema de arranque Manual/Eléctrico Dimensiones 54x29x51 cm Referencia 902502

IV. EXPERIMENTOS EN EL MAR MENOR

En noviembre de 2011, se celebró un experimento a nivel internacional de robótica submarina oceanográfica en laguna costera del Mar Menor, el objetivo principal era la medida de la salinidad del agua del mar entre el Mar Menor y el mar Mediterráneo en el canal del Estacio, que es el flujo de agua de mar más grande de intercambio entre ambos mares.

Este experimento internacional llamado “Underwater Experiment Mar Menor Coastal Lagoon 2011” contó con la participación de MBARI, CETMAR, Universidad de Girona, Universidad Politécnica de Cataluña, Universidad de Oporto, Universidad Carlos III y la Universidad Politécnica de Cartagena encargada de la recepción de las distintas instituciones.

El UPCT LVS (Laboratorio de Vehículos Submarinos)-Isaac Peral, participó en este experimento con el AUV/ROV Aegir unido al vehículo remolcado de superficie como se muestra en la Fig. 15. La misión era el registro de datos del flujo de agua de mar entre el mar Mediterráneo y la laguna del Mar Menor en una región seleccionada marcada por GPS, para alcanzar esta misión el UUV Aegir fue equipado con una sonda multiparamétrica (conductividad directamente

relacionada con la salinidad), temperatura y profundidad (directamente relacionada con la presión submarina ambiental).

Las malas condiciones del tiempo, la inexperiencia del navío de apoyo al equipo, el no haber probado el sistema de despliegue y recuperación del navío de apoyo para el AUV provoco que el vehículo de la UPCT fuera dañado seriamente el primer día del experimento.

A pesar de esto, el equipo de la UPCT trabajo duro para restaurar el sistema que une los equipos y reparar los daños, la reparación provisional se realizó sobre el propulsor de inmersión de estribor, que había sido seriamente dañado durante el despliegue en el mar, todo este trabajo fue realizado satisfactoriamente para poner el UUV Aegir operativo para terminar la tarea de medida de la salinidad.

Una vez que el sistema fue reactivado, el equipo de la UPCT vuelve al escenario del experimento, esta vez con un navío de recuperación manejado por un equipo entrenado del sistema de búsqueda y rescate Marítimo de la Dirección de la Marina Mercante Española. Esta vez con el control remoto y los modos de procedimiento automáticos que sirvieron al UUV Aegir para cubrir la zona designada por GPS y medir la salinidad asociada al área explorada y la profundidad.

V. CONCLUSIONES

Se propone al UUV Aegir como una plataforma de pruebas para desarrollar técnicas de control, generación de trayectorias submarinas, navegación automática y pruebas de distintos equipos multidisciplinares.

El UUV Aegir es un vehículo submarino fácilmente adaptable a distintas misiones y tareas en el entorno submarino, como la supervisión ambiental, la investigación oceanográfica, el muestreo científico, trazar un mapa de operaciones de búsqueda y rescate, arqueología submarina y operaciones de seguridad y vigilancia.

Este equipo submarino tiene un software abierto y la arquitectura de hardware le permite la incorporación de nuevos equipos y software.

VI. REFERENCIAS

[1] Antonelli G, Chiaverini S, Sarkar N, West M. Adaptive

control of an autonomous underwater vehicle: experimental results on ODIN. IEEE Trans Control Syst Technol 2001;9(5).

[2] Carreras, M., Yuh, J., Batlle, J., Ridao, P.: A behavior-based scheme using reinforcement learning for autonomous underwater vehicles. IEEE JOURNAL OF OCEANIC ENGINEERING 30 (2005) 416-427.

[3] García-Córdova, F., Guerrero-González, A., Marín-García, F.: Design and implementation of an adaptive neuro-controller for trajectory tracking of nonholonomic wheeled mobile robots. In Mira, J., Álvarez, J.R., eds.: Nature Inspired Problem-Solving Methods in Knowledge Engineering, Lectures Notes in Computer Science. Volume 4528. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, LNCS-

4528, Part II, ISBN: 978-3-540-73054-5 (2007) 459-468.

[4] Lorentz J, Yuh J. A survey and experimental study of neural network AUV control. IEEE AUV’96 Monterey; 1996.

[5] Nakamura Y, Savant S. Nonlinear tracking control of autonomous underwater vehicles. In: Proceeding IEEE international conference on robotics and automation, Nice, France; 1992.

[6] Pérez-Ruzafa, A., Marcos, C. y Gilabert, J. 2005. The Ecology of the Mar Menor coastal lagoon: a fast-changing ecosystem under human pressure. In: Gönenç, I.E. and J.P. Wolflin (Eds.). Coastal lagoons. Ecosystem processes and modeling for sustainable use and development. CRC press. Boca Raton. pp.: 392-422.

[7] Porto VW, Fogel DB. Neural network techniques for navigation of AUVs. In: Proceedings of symposium on autonomous underwater vehicle technology (conference proceedings); 1990. p. 137–41.

[8] Silpa-Anan C, Brinsmead T, Abdallah S, Zelinsky A. Preliminary experiments in visual servo control for autonomous underwater vehicle. IEEE/RSJ international conference on intelligent robotics and systems (IROS); 2001. Available from: http://www.syseng.anu.edu. au/rsl/.

[9] Yoerger DR, Slotine JE. Robust trajectory control of underwater vehicles. IEEE J Ocean Eng 1985; OE-10(4).