FLOTADOR DE CALADO
AUTOREGULABLE/CONSTANTE:
Estructura
Alejandro Macan´ as Vidal
24 de julio de 2013
´ Indice
1. Pre´ambulo 4
2. Introducci´on 5
3. Objetivo 6
4. Modelos desechados 7
4.1. El cubo . . . 7
4.1.1. C´alculos de estabilidad . . . 7
4.2. Cilindro recto . . . 11
4.3. Modelos horizontales . . . 12
4.4. Tricilindro . . . 17
4.4.1. Descripci´on y Geometr´ıa del Tricilindro . . . 21
4.4.2. Estabilidad del Tricilindro . . . 21
5. GEOMETR´IA Y DESCRIPCI ´ON FLOTADOR-QUAD DE ESCORA Y CALADO AUTOREGULABLES 27 5.1. Resumen . . . 27
5.2. Estructural . . . 28
5.2.1. Cilindros . . . 29
5.2.2. Plancha . . . 31
6. FUNCIONAMIENTO DEL FLOTADOR-QUAD DE ESCO- RA AUTOREGULABLE-CONSTANTE 37 6.1. Resumen . . . 37
6.2. Pre-Programaci´on . . . 38
6.3. Programaci´on . . . 42
7. Electricidad y electr´onica 44
9. Futuras Aplicaciones/Mejoras 55
9.1. Docencia . . . 55
9.2. Mesa para piscina . . . 55
9.3. Plataformas petrol´ıferas . . . 55
9.4. Wi-Fi . . . 55
9.5. Telecontrol . . . 56
9.6. Autonom´ıa . . . 56
10.Bibliograf´ıa y software utilizado 57 10.1. Libros . . . 57
10.2. Art´ıculos y Proyectos . . . 57
10.3. Webs . . . 57
10.4. Software . . . 58
1. Pre´ ambulo
El siguiente proyecto final de carrera, es una de las dos partes que com- ponen en conjunto el verdadero objetivo del mismo: El dise˜no y la creaci´on de una plataforma flotante capaz de adrizarse autom´aticamente y recuperar su calado inicial cuando colocamos un peso sobre ella, o cuando realizamos una perturbaci´on cualquiera a su escora.
En esta parte, se ha desarrollado un artefacto flotante sencillo, teniendo en cuenta las necesidades y requerimientos que la parte electr´onica exige.
La segunda parte, la ya citada parte electr´onica, ser´a presentada por Juli´an Berm´udez Ortega.
La divisi´on del proyecto en dos partes se ha debido a motivos ajenos a nuestra voluntad, y no representa con exactitud el proceso de creaci´on del mismo, ya que ambos hemos participado en las dos partes.
2. Introducci´ on
En Diciembre de 1947, en los laboratorios Bell, John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley investigaron y desarrollaron el efecto transistor, lo que a˜nos m´as tarde les valdr´ıa para ganar el premio Nobel.
El transistor es sin duda, uno de los inventos m´as importantes del siglo XX. Sin el transistor, la era de las telecomunicaciones en la que vivimos, ser´ıa totalmente imposible. Ordenadores, tel´efonos m´oviles, radios, calcula- doras, televisiones, memorias de almacenamiento masivo, equipos de m´usica todos ellos tienen un denominador com´un, y no es otro que la necesidad de transistores para su funcionamiento y existencia.
Nuestro proyecto trata de aunar electr´onica y arquitectura naval en su forma m´as primitiva, campos entre los que hay una gran distancia tempo- ral, pero que gracias a la naturaleza adaptativa de la electr´onica, tienen un camino com´un de desarrollo. Esta fusi´on la realizaremos mediante software abierto y hardware modificable.
3. Objetivo
El objetivo de este proyecto de fin de carrera es el c´alculo, construcci´on y programaci´on de una plataforma flotante que sea capaz de regular su calado y/o escora cuando se le aplican fuerzas externas en forma de pesos a˜nadidos.
Para ello, la plataforma cuenta con un medidor diferencial de presi´on por el que sabremos con exactitud el calado del artefacto flotante, y un ace- ler´ometro que nos provee lecturas del ´angulo de escora.
Al colocar un peso sobre nuestra plataforma, el calado aumenta, esto es percibido por el sensor, que env´ıa una se˜nal de apertura y expulsi´on a las bombas, que achican el agua contenida en los tanques de lastre, de modo que al tener menos desplazamiento, el calado queda equilibrado. Del mismo mo- do, las repetidas lecturas del aceler´ometro permiten volver a la situaci´on de adrizado, accionando las bombas correspondientes para equilibrar las masas.
Todo el proceso est´a controlado por una plataforma controladora Arduino TM.
En las sucesivas p´aginas se detallar´a el proceso creativo y constructivo de la plataforma f´ısica, es decir su ESTRUCTURA Y MONTAJE
4. Modelos desechados
A continuaci´on, se exponen algunos de los modelos que fueron barajados a la hora de elegir la geometr´ıa y forma propia del artefacto flotante. El nivel de detalle en la descripci´on del modelo depende de cuanto tiempo fue considerado como una opci´on real. Es necesario aclarar, que en un principio nuestro proyecto no pretend´ıa adrizar el artefacto flotante, sino devolverlo a su l´ınea de flotaci´on inicial.
4.1. El cubo
El primer modelo considerado fue un cubo de 28x28x28cm que cuenta con sus aristas inferiores redondeadas con un radio de 2cm. Este modelo se encuentra fabricado con resina pl´astica transparente, y ya estaba disponible en el taller antes del inicio de este proyecto. Su masa es de 10,140 kilogramos, repartida entre el propio material de construcci´on y dos pesas desplazables en los sentidos transversal y vertical del artefacto.
Figura 1: Cubo desechado 4.1.1. C´alculos de estabilidad
Las operaciones que aparecen a continuaci´on, son tan solo un primer acercamiento a los c´alculos de estabilidad del cubo, ya que muchas de las
variables que ten´ıan importancia no eran conocidas todav´ıa en esta fase del proyecto. Los datos correspondientes a la bomba de achique y llenado son aproximados, pues todav´ıa no cont´abamos con un modelo en concreto. Se trata pues, de una de las iteraciones.
Para el c´alculo de su estabilidad comenzamos considerando que las pesas est´an desplazadas de modo que la altura inicial del centro de gravedad del conjunto, se encuentra a 14 cent´ımetros de altura respecto al plano base.
KGi = 14cm
El volumen total del cubo de aristas redondeadas fue obtenido sumer- giendo el mismo en un tanque de agua, y midiendo el aumento de la altura del l´ıquido.
V = 0, 21751m3
El ´area del cuerpo prism´atico del cubo fue calculada considerando la misma como un cuadrado, c´alculo por otra parte exacto debido a que en efecto, se trata de un cuadrado al tener solo redondeado el pantoque.
A = 0, 0784m2
Para el valor de la masa, usamos el peso disponible en el taller, y como hemos dicho anteriormente
M = 10, 210kg
Los pesos ajenos al propio cubo quedan resumidos en los variables de lastre, y en el peso de la bomba:
Que flote
La premisa n´umero uno era que el peso del conjunto deb´ıa ser igual al empuje producido por el sistema l´ıquido donde lo sumergimos.
P eso = Empuje
El peso se consigue de manera sencilla multiplicando la masa total por la aceleraci´on gravitatoria
P eso = masa ∗ gravedad = 11, 195 ∗ 9, 81 = 109, 823N
Al ser el empuje igual al volumen desplazado de l´ıquido, multiplicado por su densidad, aproximando el volumen al de un cubo podemos obtener el calado del mismo en situaci´on de lastre cero. Considerando que la densidad de nuestro agua es 1000 gramos/litro
E = V ∗ ρ ∗ g = A ∗ T ∗ ρ ∗ g = 0, 0784 ∗ T ∗ 1000 ∗ 9, 81 = P = 109, 823N Donde T es el calado y es la magnitud que queremos despejar
T = 0, 1403m
Que flote adrizado
La premisa b´asica es que la altura metac´entrica tiene que ser igual o superior a cero, para ello usamos la siguiente expresi´on hidrost´atica:
GM = KB + BM − KG
Donde KB es la altura del centro de carena, BM la distancia entre el centro de carena y el metacentro y KG la altura del centro de gravedad respecto al plano base.
En el c´alculo de los distintos t´erminos se hicieron las siguientes conside- raciones:
Para el KB o altura del centro de carena, consideramos que el artefacto es un cubo, y por tanto el volumen debajo de la l´ınea de flotaci´on o volumen de carena, es un ortoedro, cuyo centro de carena estar´a a la mitad del calado.
KB = T
2 = 0, 07015m
El BM como es habitual, lo calculamos con la siguiente expresi´on:
BM = It ∗ ρ
∆
Donde It es el momento de inercia transversal, rho es la densidad del fluido, y Delta el desplazamiento.
Para el KG simplemente debemos considerar las alturas de los centros de gravedad propios de cada accesorio multiplicadas por sus masas, y dividir entre la masa total
X
i=1
Kgi∗ mi M t
Todo esto en conjunto nos llev´o a la conclusi´on de que hidrost´aticamente el modelo era v´alido (realmente contabamos con ello ya que era un modelo con el que se hab´ıa trabajado anteriormente). Su capacidad total era acepta- ble. Fue descartado por las dificultades intr´ınsecas de montar la plataforma arduino sobre un modelo de reducidas dimensiones, as´ı como por el deseo de hacer un proyecto visualmente m´as atractivo.
4.2. Cilindro recto
Se trataba de un cilindro que deb´ıa flotar en vertical.
Figura 2: Cilindro desechado
Las medidas pretendidas altura = 45cm y Di´ametro = 25cm fueron el primer problema, ya que tuvimos muchas dificultades a la hora de encontrar tubos de pvc prefabricados de ese di´ametro. La posibilidad de realizarlo por encargo fue desestimada debido al incremento de precio en una parte en la que preferimos abaratar costes.
Pero la raz´on definitiva por la que no fue utilizado fue la imposibilidad de trabajar con escora, ya que al tener una sola cavidad, no se podr´ıa jugar con los brazos adrizantes.
Sin embargo, el cilindro fue muy ´util en el desarrollo de nuestro modelo final.
4.3. Modelos horizontales
Los modelos horizontales fueron una serie de modelos con la caracter´ıstica en com´un de contar con sus flotadores colocados en horizontal.
Figura 3: Secci´on transversal de un Modelo Horizontal
Pese a tener una gran estabilidad y tener la capacidad de sostener pesos aproximadamente iguales a los modelos verticales, contaban con tres grandes problemas por los que fueron descartados:
- Su escaso calado permit´ıa menores escoras que los modelos verticales, ya que superado cierto ´angulo, la parte superior de la plataforma, quedar´ıa inundada.
- Las superficies libres crecen considerablemente, con la consiguiente dis- minuci´on en la altura metac´entrica y por tanto en la estabilidad. La soluci´on de separar el interior de los flotadores en longitudes menores, es hidrost´atica- mente viable y correcta, pero dificulta mucho su construcci´on y la instalaci´on de la bomba de achique en el interior del flotador.
Ejemplo de Modelo Horizontal
Calcularemos el peso que hay que colocar por metro en un modelo hori- zontal de flotadores prism´aticos de base de tri´angulo is´osceles. Buscamos la masa a colocar para conseguir una escora de seis grados con un calado inicial de 2 dec´ımetros. Las medidas se encuentran en dec´ımetros.
Figura 4: Secci´on transversal de un Modelo Horizontal
Para que el artefacto flotante permanezca estable con una escora de seis grados, necesitamos que el par escorante y el par adrizante tengan el mismo valor:
P e(6) = P a(6)
∆ = γ ∗ ∇
Donde delta es el desplazamiento, gamma la densidad del fluido y nabla es el volumen de carena.
Para calcular el volumen de carena, basta con tener en cuenta que son dos prismas triangulares:
∇ = 2(1
2 ∗ Areabase ∗ alturaprisma)∇ = 2(2T2
2 ∗ 10) = 80dm3 Al considerar que el fluido de trabajo es agua dulce, su densidad es 1, por tanto el volumen de carena coincide con el desplazamiento:
∆ = ∇ = 80kg
Para el par adrizante nos valemos de la siguiente expresi´on:
P a = ∆ ∗ GZ = ∆ ∗ GM sen6 Para calcular el valor de la altura metac´entrica:
GM = KB + BM − KG
El valor de KB corresponde al de 2/3 de la altura del tri´angulo, ya que el centro de gravedad del mismo se encuentra a 1/3 desde la base.
KB = 2
3 ∗ T = 4 3dm
El c´alculo del BM requiere conocer el valor del momento de inercia de la superficie de flotaci´on.
Figura 5: Superficie de flotaci´on
BM = It
∇
Para el momento de inercia transversal necesitamos usar el teorema de Steiner, ya que aunque conocemos la inercia de un rect´angulo respecto al eje que pasa por su centro de gravedad, hay que calcular la inercia del rect´angulo desplazado una distancia d respecto al eje deseado.
It = 2( 1
12(2T )3∗L+(L∗2T )∗d2 = 2( 1
12(2∗2)3∗10+(10∗2∗2)∗42 = 386, 6dm4
BM = It
∇ = 386, 6
80 = 4, 12dm
Por ´ultimo, y una vez m´as, es imposible calcular el KG con exactitud a estas alturas de dise˜no, por lo tomamos un valor aproximado de 3,5 dm.
Despu´es de esto estamos en condiciones de calcular un valor aproximado de la altura metac´entrica del artefacto de flotadores horizontales.
GM = KB + BM − KG = 0, 76dm
Y estos valores nos arrojan un par adrizante ( y por tanto escorante, ya que la premisa que hemos tomado es que el par adrizante y escorante deben ser iguales ) de valor igual a:
P a = ∆ ∗ GM ∗ sen(6) = 6,21kg ∗ dm
Conseguir seis grados colocando un peso cercano a los seis kilos(recordemos que este valor es aproximado debido a la fase de proyecto en la que nos en- contrabamos), estaba lejos de lo pretendido en el proyecto.
4.4. Tricilindro
Tricilindro es el nombre con el que nos referimos a uno de los modelos que tuvimos en mayor consideraci´on. Las medidas aparecen en mm.
Figura 6: Plano superior: Tricilindro
La altura prevista para las patas fue de 500 mm.
Figura 7: Vista 3D Tricilindro
Figura 8: Vista 3D Al´ambrica Tricilindro
Figura 9: Vista 3D Rayos X Tricilindro
4.4.1. Descripci´on y Geometr´ıa del Tricilindro
Este modelo no lleg´o a ser fabricado, pero durante el proceso de elecci´on de geometr´ıa fue necesario realizar algunos c´alculos aproximados para estimar su estabilidad. Para ello fue necesario tomar unos valores aproximados de los pesos.
El tricilindro est´a compuesto por tres cilindros que hacen las veces de flotador, y que soportan encima de ellos una plancha triangular equil´atera, por lo que cada esquina forma un ´angulo de 60 grados.
La plancha de metacrilato tiene un grosor de unos 4-6mm.
Masas:
- de cada cilindro: 800 gramos.
- de cada bomba: 600 gramos.
- de la plancha de metacrilato: 2200 gramos.
- de la caja de electr´onica: 1100 gramos.
- otros(cables etc): 750 gramos.
Masa total = 8.25 + Peso lastre kgs
4.4.2. Estabilidad del Tricilindro Como es habitual, tenemos dos objetivos:
- Que flote.
- Que flote adrizado.
Que flote
El fluido ser´a obviamente agua. Partimos de P=E
E = γ∇
∇ = 4Π ∗ R2∗ T Suponiendo un calado de T = 0’35 m
∇ = 4Π ∗ R2∗ T = 4Π ∗ 00052∗ 0035 = 000113m3
E = γ∇ = 1 ∗ 000113 = 000113ton = 1103Kg
M asadelastre = Empuje − M asatotal(sinlastre) = 1103 − 8025 = 3005Kg
Este es el lastre que hay que colocar en los flotadores cil´ındricos para conseguir un calado inicial de 0’35 metros. Al ser tres flotadores, vemos que aproximadamente debe ser un litro de agua lo que debemos introducir ini- cialmente.
Este proceso de llenado se realiza de manera autom´atica por las bombas, y el programa permite distintas posiciones iniciales en cuanto a calado, va- riando precisamente la cantidad de lastre introducida por las bombas en los
Que flote adrizado
Considerando obviamente adrizado la posici´on en la que los cilindros se encuentran en vertical y perpendiculares a la superficie de flotaci´on.
Una vez m´as recurrimos a:
GM = KB + BM − KG
KB = T /2 = 0,35
2 = 0,175m
BM = It
∇
Llegados a este punto, se hace necesario tener en cuenta que no hay una direcci´on transversal como tal. En los anteriores modelos, solo se tuvo en cuenta la estabilidad transversal debido o a que eran sim´etricos, o una de las direcciones representaba claramente menor estabilidad.
La manera utilizada para estimar cual es el eje de giro que debemos considerar, fue calcular distintas inercias para la geometr´ıa del tricilindro.
Consideramos una direcci´on horizontal o X, y otra vertical o Y.
Consideremos el centro de gravedad en Y, al ser sim´etrico, se encuentra en el centro de la superficie del tri´angulo imaginario formado por los c´ırculos.
Figura 10: Superficies de flotaci´on y eje Y
Partimos de la ventaja de que uno de los c´ırculos hace coincidir su centro con el eje Y, por tanto, aplicando el teorema de Steiner y teniendo en cuenta que la inercia propia del c´ırculo corresponde a:
1 1
Toda esta informaci´on en conjunto nos arroja:
Iy = Ic+2(Ic+Ac∗x2) = 4,9x10−6+2(4,9x10−6+7,85x10−3∗0,22) = 6,427x10−4m4
A continuaci´on realizamos el mismo proceso pero en el eje X, en este caso el centro de gravedad, por estar las superficies formando un tri´angulo, se encuentra a 2/3 de lo que podr´ıa considerarse como altura.
Figura 11: Superficies de flotaci´on y eje X
Ix = Ic+ Ac∗ x21 + 2(Ic+ Ac∗ x22) =
= 4,9x10−6+7,85x10−3∗0,11652+2(4,9x10−6+7,85x10−3∗0,23212) = 8,56x10−4m4
Por ´ultimo calculamos el volumen de carena correspondiente a ese calado:
∇ = 3Ac∗ T = 3 ∗ 7,85x10−3∗ 035 = 2,171x10−3
Y con esto estamos en disposici´on de calcular los BM
BMx= Ix
∇ = 8,56x10−4
2,171x10−3 = 0,394m
BMy = Iy
∇ = 6,427x10−4
2,171x10−3 = 0,296m .
Para el c´alculo del KG, nos valemos de los valores de masa que hemos descrito unos p´arrafos m´as arriba, e indicamos el valor de sus Kg individuales:
- Cada cilindro: 800 gramos. Kg = 0.25 m - Cada bomba: 600 gramos. Kg = 0.05 m
- La plancha de metacrilato: 2200 gramos. Kg = 0.51 m - La caja de electr´onica: 1100 gramos. Kg = 0.56 m - otros(cables etc): 750 gramos. Kg = 0.45
X
i=1
Kgi∗ mi
M t = 0,31m
Regresando una vez m´as a la tan popular ecuaci´on para el c´alculo del GM:
GMx = KB + BM − KG = 0,259m > 0
5. GEOMETR´ IA Y DESCRIPCI ´ ON FLOTADOR-QUAD DE ESCORA Y CALADO AUTOREGULABLES
5.1. Resumen
La plataforma flotante consta principalmente de dos partes: Por un lado la parte estructural, y por otro, la parte electr´onica y el´ectrica. A su vez, estructuralmente queda dividida en otras dos partes, cilindros y la plancha.
Por ´ultimo, la parte electr´onica cuenta con la caja de electr´onica y las bombas.
Altura total: 72 cm
Superficie m´axima: 70x70cm Peso total:
Altura de los cilindros: 50 cm.
Di´ametro de los cilindros: 11cm.
Grosor de la plancha: 1.5mm.
Figura 12: Quad-flotador
Figura 13: Modelo visto desde abajo
5.2. Estructural
Como ya hemos comentado, consta de dos grandes partes:
-Cilindros.
-Plancha.
5.2.1. Cilindros
Las patas de nuestro artefacto flotante son cuatro cilindros estancos colo- cados en vertical, cada uno en la esquina de un cuadrado imaginario. Constan de una tapa con rosca. La tapa con rosca se encuentra atornillada a la plata- forma, de modo que las patas pueden ser retiradas o colocadas con relativa facilidad.
Figura 14: Flotador-Cilindro de PVC
Est´an fabricados en PVC, ya que es un material relativamente barato y ligero, con el que resulta sencillo producir geometr´ıas estructuralmente
resistentes y estancas, y que adem´as cuenta con el plus de ser muy accesible, ya que se encuentra en cualquier ferreter´ıa.
El PVC adem´as no tiene problemas de electr´olisis ni de corrosi´on, y su bajo coeficiente de rozamiento coopera para que no se produzcan sedimenta- ciones en el interior de los mismos, aunque esto no es un dato determinante ya que se trata de un problema a largo plazo.
Sin embargo, fue necesario el uso de silicona en varias de las juntas para evitar la entrada de agua a los cilindros.
El uso de pintura blanca sobre los mismos se debe ´unicamente a cuestiones est´eticas.
En la parte superior de cada uno de los cilindros, tenemos dos peque˜nos orificios por los que rellenar o achicar el agua.
5.2.2. Plancha
En primer lugar adquirimos una plancha de polimetilmetacrilato de 6 mm de grosor y 2,850 kilogramos de peso. El metacrilato tiene mayor resistencia a la intemperie que el poliestireno o el policarbonato, lo que nos pareci´o ex- trapolable a nuestra plancha. Otro factor relevante fue que su densidad es menor que la del policarbonato, por lo que es m´as ligero. Es necesario remar- car que la plancha es la parte superior del artefacto en conjunto, y por tanto el aumento de peso aumenta la altura del centro de gravedad, perjudicando a la estabilidad.
La ventaja del metacrilato frente a fabricar una plancha de metal es esencialmente la transparencia del pl´astico, de manera que todo el proceso de vaciado y llenado de los cilindros para adrizar la plataforma y volver al calado inicial, podr´ıa verse desde arriba.
Sin embargo, al realizar las primeras pruebas tras atornillar los cilindros a la plancha, encontramos dos problemas que nos obligaron a dise˜nar una plancha de aluminio:
- El metacrilato pande´o considerablemente y de manera el´astica, por lo que al a˜nadir o quitar pesos el periodo de balance no solo era bastante pe- que˜no, sino que parec´ıa altamente inestable. Esto dificultaba mucho la amor- tiguaci´on de la perturbaci´on en escora y calado.
- Las roscas de los cilindros no desenroscaban bien, por lo que al mon- tar y desmontar la plataforma en varias ocasiones, aparecieron grietas en el metacrilato por los esfuerzos sufridos, hasta que la plancha se rompi´o.
Por tanto, finalmente tuvimos que dise˜nar una plancha fabricada en alu- minio.
La gran ventaja del aluminio frente al metacrilato es la posibilidad de incluir refuerzos de manera sencilla y efectiva. Se barajaron distintos dise˜nos:
Figura 16: Planchas no elegidas 1 y 2 de 4
Los refuerzos utilizados son de 4x2cm y tienen el mismo espesor que el resto de la plancha
- Dificultad en los cruces (m.2 y 4).
- Dudas de su efectividad (m.3).
- Simplemente, encontramos un dise˜no estructuralmente m´as resistente (m.1).
Figura 18: Plancha definitiva
- La plancha elegida cuenta con las ventajas de tener las esquinas libres, por lo que hay hueco suficiente para los cilindros.
- Sus esquinas dobladas producen la rigidez que necesita.
- El gran hueco central se dej´o pensando en la posibilidad de que surgiera la necesidad de instalar algo debajo de la caja de electr´onica.
- En un primer vistazo las esquinas parecen endebles, pero hay que tener en cuenta que los cilindros hacen las veces de vigas, ya que el empuje se producir´a sobretodo en ellos.
Figura 19: Detalle refuerzo
En ´esta imagen se muestra no solo la uni´on de los refuerzos, sino tambi´en el sistema de remaches por el que est´a unido a la plancha.
Figura 20: Detalle refuerzo real
Con todo esto, sacrificando la posibilidad de ver bajo la plancha, solu- cionamos los problemas de pandeo y rigidez, quedando finalizada la parte estructural del proyecto.
Figura 21: Plataforma Terminada
6. FUNCIONAMIENTO DEL FLOTADOR- QUAD DE ESCORA AUTOREGULABLE- CONSTANTE
6.1. Resumen
A la hora de afrontar la decisi´on del modo en el que la plataforma deb´ıa recuperar su calado y volver a la posici´on de adrizado, tuvimos dos opciones:
A) Una programaci´on que se valiera de los sensores(de presi´on y ace- ler´ometro) para localizar cuanto peso y donde lo hemos colocado, y en base a esos datos de entrada calculara la cantidad exacta que hay que achicar o insertar en cada uno de los cilindros para volver a la posici´on deseada. UNA SOLA LECTURA.
B) Lecturas repetidas tanto de aceler´ometro como del sensor de presi´on, de modo que la programaci´on influya en qu´e bomba deber´a ponerse en mar- cha, pero no en la cantidad. MUCHAS LECTURAS.
Finalmente, decidimos que ambas ser´ıan necesarias.
La primera nos sirvi´o para saber hasta que punto el flotador quad fun- cionar´ıa, que ´angulos se conseguir´ıan y con qu´e pesos colocados d´onde.
La segunda es la que realmente hace funcionar la plataforma, sus repetidas lecturas provocan que la precisi´on sea superior a los dos grados de escora y los dos mil´ımetros de calado. Con el primer sistema ser´ıa poco preciso, ya que la construcci´on de la misma cuenta con desviaciones frente a la teor´ıa.
Por citar algunos ejemplos: La plancha tiene sus refuerzos remachados sin demasiado criterio, por lo que su centro de gravedad es muy dif´ıcil de calcular con exactitud. Los cables producen ciertas tensiones en la plataforma que no fueron tenidas en cuenta. Adem´as, para utilizar este sistema se requerir´ıan cuatro diferenciales de presi´on, pues necesitar´ıamos una lectura del calado de cada cilindro para calcular el peso que hemos colocado.
6.2. Pre-Programaci´ on
En esta subsecci´on se encuentra la programaci´on previa a la programaci´on que hace funcionar la plataforma. Dicho de otro modo, es la programaci´on que arroja los c´alculos de como se comportar´ıa la plataforma.
Se trabaj´o en Microsoft Excell. A continuaci´on un ejemplo de su funcio- namiento:
La primera tabla nos muestra los distintos par´ametros que influyen en el proceso de equilibrio de la plataforma quad. Los valores en granate son fijos debido a la geometr´ıa del artefacto. Los valores amarillos son resultados de peque˜nas operaciones como pueden ser ´areas o inercias. Los rojo claro, nos dan conclusiones respecto al peso que hemos colocado.
En la segunda tabla se realizan los c´alculos de estabilidad, obtenci´on de los valores de la altura metac´entrica, centro de gravedad, centro de carena etc.
Los valores azules son las lecturas que el aceler´ometro nos da(Recordemos que los valores de entrada ser´an las medidas de los diferenciales de presi´on y los ´angulos del aceler´ometro, y que en base a ello calcularemos el peso que hemos colocado y donde se encuentra)
En la tercera tabla, los valores azules nos dan los calados de cada uno de los flotadores. Bas´andose en los c´alculos hidrost´aticos realizados en la tabla 2, obtenemos los valores verdes, es decir, la masa colocada, y su posici´on respecto al centro geom´etrico del cuadrado que es la plancha.
6.3. Programaci´ on
Figura 23: Diagrama de Flujo 2
7. Electricidad y electr´ onica
7.1. Bombas hidr´ aulicas
Se han requerido cinco bombas para el correcto funcionamiento de la pla- taforma autoadrizante. Cuatro de ellas son bombas de acuario sumergibles que consiguen una altura de agua de 0,5 metros - factor por el cual fueron elegidas - y una capacidad de entre 150/300 Litros por hora seg´un la especifi- caci´on del fabricante. Est´an situadas en el fondo de cada uno de los cilindros, y realizan el papel de achique o vaciado de los mismos.
En la siguiente imagen se puede ver la relaci´on entre altura de carga y capacidad de trasiego:
Figura 25: Especificaciones Bomba de Achique
No es dif´ıcil imaginar que la velocidad de descarga ser´a moderada.
La quinta es una bomba de jard´ın, tambi´en sumergible y de una capa- cidad mucho mayor(1000 l/h seg´un el fabricante). Esto es necesario ya que
´
unicamente ella participa en el llenado de los cilindros, y de otro modo, el proceso ser´ıa demasiado lento.
Figura 26: Bomba de llenado
La bomba central no se encuentra digamos a bordo, si no que queda colgada de la manga de llenado de los cilindros.
El motivo principal de este hecho, es que si la bomba est´a en contacto directo con la plataforma hace perder precisi´on al aceler´ometro, ya que las vibraciones debidas a su gran caudal, afectan al buen funcionamiento del mismo.
Por otra parte, elevar innecesariamente el centro de gravedad de la pla- taforma es contraproducente.
7.2. Caja de electr´ onica
Figura 27: Caja de Electr´onica
ARDUINO
Es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un micro- controlador y un entorno de desarrollo, dise˜nada para facilitar el uso de la electr´onica en proyectos multidisciplinares.
Arduino puede tomar informaci´on del entorno a trav´es de sus pines de entrada de toda tipo de sensores y puede afectar aquello que le rodea contro- lando todo tipo de perif´ericos. El microcontrolador en la placa de Arduino se programa mediante el lenguaje de programaci´on Arduino (basado en Wiring) y el entorno de desarrollo Arduino (basado en Processing)
En nuestro caso es especialmente ´util por la gran versatilidad que ofrece.
REL´ES
Grove-Relay es un m´odulo de interruptor-rel´e de apertura digital, que funciona con voltajes relativamente bajos (5voltios) y otros mucho mayores (250 voltios si utilizamos una intensidad de 10 amperios).
Figura 28: Rel´e
Cuenta con un LED que se activa cuando se conecta, de modo que en cada momento tenemos constancia de si est´a en funcionamiento o no.
En nuestro caso, los rel´es ser´an los encargados de activar o desactivar las bombas. Por otra parte, el encargado de controlar el rel´e ser´a Arduino mediante sus salidas digitales, que proporcionan el voltaje necesario para
ACELER ´OMETRO
En primer lugar, utilizamos un aceler´ometro de escasa calidad y bajo coste que era digital. Pese a que era capaz de producir lecturas medianamente correctas, la reiteraci´on en el env´ıo del ´angulo provocaba un fallo al abrir las librer´ıas correspondientes.
Figura 29: Rel´e y aceler´ometro conectados a Arduino
Este problema probablemente derivaba de la escasa calidad del mismo o a una posible rotura de alguno de los pines, y se hac´ıa patente a la hora de reproducir las lecturas en un modelo virtual desarrollado con SolidWork y Proccessing. En ´el, se ve´ıa como la plataforma virtual parec´ıa tener ru´ıdo, pues vibraba.
Por estos motivos nos vimos obligados a recurrir a un aceler´ometro anal´ogi- co cuyas lecturas fueran directas, y no procesadas digitalmente.
AMPLIFICADOR OPERACIONALES
Es un circuito electr´onico (normalmente se presenta como circuito inte- grado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor G al que llamamos ganancia.
En nuestro caso hemos utilizado los INA126P.
Se alimenta con una pila de 9V y produce un voltaje de +5V o -5V de modo que obtenemos una tensi´on sim´etrica.
La ganancia, seg´un el fabricante viene determinada por la siguiente ex- presi´on:
G = 5 + 80kΩ RG
BLUETOOTH
Grove-Serial WLS31746P es un m´odulo de conexi´on sin cables via blue- tooth que es f´acil de acoplar y utilizar, y es compatible con el Shield existente tambi´en de Grove. El puerto del m´odulo es 2.0+EDR(Enhanced Data Rate) y proporciona hasta 3mbps modulados a 2.4 GHz.
Cuenta con auto-conexi´on al ´ultimo dispositivo, siempre y cuando ´este se encuentre encendido. Esta caracter´ıstica es muy valorable dado el hecho de que el m´odulo bluetooth tan solo est´a conectado con la plataforma, lo que nos ahorra tiempo y posibles contratiempos de desconexi´on.
En su conexi´on con arduino, seg´un las especificaciones del fabricante, lo
SHIELD DE CONEXIONES
La plataforma consta de un Shield de conexiones SLD12148P, tambi´en del fabricante Grove:
Figura 30: Shield de Conexiones
Figura 31: Esquema del Shield
8. Cables, tubos, accesorios y otros
En este apartado, comentaremos los diferentes cables, tubos y accesorios que han sido utilizados para la construcci´on final del flotador-Quad.
En el proceso de llenado y achique de los flotadores cilindricos, se requiere el uso de tubos de pl´astico por los que circule el agua. Hemos utilizado manga transparente sin especificaciones concretas.
Figura 32: Tubo de llenado y achique
Figura 33: Detalle de uno de los codos
La bomba de llenado est´a conectada a una goma de secci´on ligeramente superior, y cuenta con un sistema de distribuci´on para llegar a los cuatro cilindros
Figura 34: Sistema de Distrubici´on
Respecto a los cables. Las bombas peque˜nas ven´ıan de f´abrica con en- chufes normales. Los cambiamos y los unimos de modo que un solo enchufe permitiera su funcionamiento y el de toda la caja de electr´onica
Debemos tener en cuenta que la pila alimenta por separado al diferencial de presi´on.
La conexi´on al PC se ha llevado a cabo con un cable USB.
La caja de electr´onica ha sido adherida a la plataforma mediante el uso de silicona en tubo.
9. Futuras Aplicaciones/Mejoras
En esta secci´on se tratar´an tanto posibles usos de la plataforma, como mejoras que pueden ser implantadas en ella:
9.1. Docencia
El m´etodo manual de la plataforma-quad permite que pueda ser utilizada con motivos educacionales, por ejemplo como pr´acticas de Hidrost´atica.
En ellas, podr´ıan calcularse de manera experimental distintos par´ametros que intervienen en la estabilidad de un flotador, como por ejemplo la altura metac´entrica.
9.2. Mesa para piscina
Nuestra plataforma al fin y al cabo es una mesa que si contase con la posibilidad de achicar y rellenar r´apidamente ser´ıa virtualmente involcable.
Por motivos industriales no parece cercano el desarrollo de este producto, ya que fabricar plataformas como la nuestra pero con mejores dispositivos y electr´onica, elevar´ıa el precio de la misma a un nivel fuera de mercado.
No obstante, no nos parece una idea descabellada si en el proceso indus- trial se optimizasen suficiente los gastos.
9.3. Plataformas petrol´ıferas
Pese a no ser un campo que dominemos en gran medida, se intuye que es posible que tenga alguna aplicaci´on en las mismas.
9.4. Wi-Fi
La integraci´on de un m´odulo Wi-Fi en lugar del m´odulo Bluetooth per- mitir´ıa comunicaciones m´as r´apidas y a mayor distancia.
9.5. Telecontrol
En la actualidad, desde nuestros dispositivos m´oviles(tanto IOS como AN- DROID OS) podemos realizar las lecturas del aceler´ometro y del diferencial de presi´on, pero no enviar ordenes a la plataforma-quad.
La creaci´on de una interfaz c´omoda y pr´actica para sistema operativo Android, Bada o IOS, junto con la instalaci´on de un receptor en el flotador, nos permitir´ıa que cuando la plataforma est´e en modo manual en vez de autom´atico, podamos enviarle los valores de los par´ametros deseados, de modo que controlar´ıamos la plataforma desde nuestros dispositivos m´oviles.
9.6. Autonom´ıa
Aunque la plataforma-quad es autoadrizante, requiere de tomas de co- rriente, dado que no cuenta con ninguna bater´ıa ni fuente de energ´ıa propia.
La instalaci´on de una bater´ıa permitir´ıa que la plataforma no solo tuviese la opci´on autom´atica, si no que se convirtir´ıa en un flotador aut´onomo.
10. Bibliograf´ıa y software utilizado
10.1. Libros
- Teor´ıa de las Estructuras - Timoshenko - 1965
- Teor´ıa del buque. Flotabilidad y estabilidad - Joan Olivella Puig - Edi- cions UPC 1994
- Mec´anica de Fluidos General - Manuel M. S´anchez Nieto - Universidad Polit´ecnica de Cartagena 2007
- Electr´onica - Hambley Allan R. - Thomson 2005
10.2. Art´ıculos y Proyectos
- Flotador de Calado Autoregulable/Constante: Electr´onica - Juli´an Berm´udez Ortega 2013
10.3. Webs
- http://www.Google.com.
- http://www.ing-integral.blogspot.com.es.
- http://www.instructables.com/id/Arduino-Projects.
- http://www.arduino.cc/
- http://www.playground.arduino.cc/interfacing/processing.
- http://www.dte.us.es
- http://www.lcardaba.com/articles/opamps.html - http://www.processing.org/
- http://www.seeedstudio.com/wiki/Grove - Relay
- http://www.seeedstudio.com/wiki/Grove - Serial Bluetooth
- http://www.seeedstudio.com/wiki/images/2/25/Bluetooth Software Instruction.pdf - http://www.ni.com/academic/why labview/esa/
- http://www.cadsoftusa.com/?language=en
- http://www.cursomicros.com/avr/bus-i2c/protocolo-bus-i2c.html - http://wiki.processing.org/w/Cylinder
- http://es.wikipedia.org/wiki/Rel
- http://es.wikipedia.org/wiki/LabVIEW - http://es.wikipedia.org/wiki/Processing - http://es.wikipedia.org/wiki/EAGLE
10.4. Software
- Autocad.
- Rhinoceros.
- SolidWorks.
- Processing.
- Ansys.
- Excell.
- Latex.
- Worktex.
- TeXstudio.
- Texmaker.
- Bluetooth SPP.
- Eagle.
- Dropbox.
- Catch.
- Videopad.
- Camstudio.
