Este trabajo presenta el diseño de un vehículo acuático no tripulado para zonas costeras (aguas poco profundas). Tanto el diseño como la navegación del vehículo acuático no tripulado están validados experimentalmente, para lo que se aplica un control clásico.
Introducción
Estado del Arte
ESTADO DEL ARTE 3 movimientos de balanceo y aumento del desplazamiento sin penalización significativa de arrastre.
ESTADO DEL ARTE 3 los movimientos de rodadura y aumenta el desplazamiento sin la penalización de arrastre significativa
La Marina de los EE. UU. comenzó a trabajar con los UUV mucho antes que los USV. Dado que los USV tienen la capacidad de navegar basándose en un mapa predefinido, la investigación y el desarrollo en estos sistemas son importantes para reemplazar el trabajo humano en áreas poco profundas Liu [21].
Justificación
Desde nuestro campo de trabajo, se propone el diseño e implementación de un vehículo no tripulado como medio de recogida permanente de datos e información, que permita a otros centros de investigación interesarse o continuar estudiando estos ecosistemas. Además, la poca profundidad característica de Terminus Lagoon requiere de un vehículo de desplazamiento superficial adaptado a este tipo de condiciones.
Objetivo General y objetivos específicos
Su efectividad en la navegación resulta atractiva si se desea monitorear mayores volúmenes de agua, a diferencia de las boyas que se limitan al monitoreo permanente de una coordenada fija.
Alcance del trabajo
Metodología Desarrollada
La validación experimental de la navegación autónoma de la plataforma desarrollada se realizará en condiciones de poco o ningún oleaje.
Organización de la Tesis
En este capítulo el interés es seleccionar el tipo de control para el USV, "Delfín Explorador I"; Pero es importante presentar las investigaciones que se han realizado en esta área. En el proceso de elección del tipo de control se hace referencia al control clásico, para ello se realiza una evaluación cualitativa de los reguladores P, PI y PD.
Sistemas coordenados
Tenga en cuenta que este tipo de control debe funcionar junto con otro bloque para asignar correctamente las señales a los actuadores. Las tres coordenadas (x, y y z) y sus derivadas con respecto al tiempo se utilizan para describir las posiciones y velocidades de traslación del cuerpo a lo largo de los ejes XYZ, mientras que φ, θ y ψ y sus respectivas derivadas describen la orientación y ángulo. velocidades alrededor de los ejes XYZ.
CINEMÁTICA 11
Cinemática
MODELO MATEMÁTICO DEL VEHÍCULO La primera derivada del vector de posición η1 está relacionada con el vector de velocidad lineal v1.
Cinética
CINÉTICA 13
Fuerzas hidrodinámicas
Fuerzas y momentos de restauración
CINÉTICA 15
Fuerzas y momentos de perturbaciones externas
Las ondas no tienen una única frecuencia, se puede considerar que constan de un conjunto de frecuencias de ondas, que se describen mejor mediante procesos estocásticos. Estos procesos pueden aproximarse como una suma finita de frecuencias y, en una aproximación lineal, la respuesta del barco a un estado del mar determinado se modela como la suma de las respuestas a cada una de las frecuencias [25]. Para este trabajo, se utiliza un patrón de onda de primer orden como perturbación.
Fuerzas y momentos de propulsión
REDUCCIÓN DEL MODELO A TRES GRADOS DE LIBERTAD 17
Reducción del modelo a tres grados de libertad
Control del USV
CONTROL DEL USV 19 Aún con la diversidad de herramientas y métodos de control, el controlador PID es ampliamente
Efectos de los términos del control PID
Características de los controladores
Una ganancia alta en un controlador P significa que el error en estado estacionario será pequeño y no será necesario incluir la acción integral. Esto significa que sólo en casos muy raros es suficiente un controlador P y que debe complementarse con una acción derivativa. La introducción de la acción integral es la forma más sencilla de eliminar los problemas de oscilaciones y errores de estado estacionario que aparecieron en los controladores on-off y P, respectivamente.
La acción derivada es más problemática que mejorar esta situación, porque amplifica el ruido existente.
LEY DE CONTROL DEL USV 21
Ley de control del USV
Este capítulo presenta el proceso constructivo de la USV, abordando el tema de la fabricación como piedra angular en la ingeniería y el refuerzo industrial. Se describen brevemente las tecnologías que permiten el proceso de construcción del prototipo USV. Por lo tanto, en el proceso de diseño es importante que el producto se presente claramente en cuanto a sus funciones y desempeño.
Esto se debe a que se revisan los dibujos detallados durante el proceso de fabricación y se seleccionan los procesos para una producción eficiente [33].
Diseño y manufactura de un producto
En el sentido moderno, la producción incluye la elaboración de productos a partir de materias primas mediante diversos procesos. El diagrama muestra los distintos pasos involucrados en el diseño y fabricación de un producto, dependiendo de la complejidad del producto y del proceso (Figura 3.1). Diseño asistido por ordenador CAD CAD es una técnica de análisis, una forma de crear un modelo del comportamiento de un producto antes de su fabricación.
DISEÑO Y FABRICACIÓN DE PRODUCTOS 25 piezas estandarizadas para diseño y fabricación, representación tridimensional de modelos dinámicos.
DISEÑO Y MANUFACTURA DE UN PRODUCTO 25 normalizada de piezas para su diseño y fabricación, representación tridimensional de modelos dinámicos
Impresión 3-D
DISEÑO Y FABRICACIÓN DE PRODUCTOS 27 Este tipo de impresora se ha establecido porque no se necesitan herramientas especiales.
DISEÑO Y MANUFACTURA DE UN PRODUCTO 27 Este tipo de impresora ha ganado terreno debido a que no se requieren herramientas especializadas
Cada uno de los diferentes software de diseño tiene sus fortalezas y debilidades; Por lo tanto, es deseable que el diseñador esté capacitado en el uso de más de un software de diseño específico que le permita utilizarlo de manera efectiva. Para el desarrollo de nuevos buques es necesario preparar un modelo que sirva de referencia para alojar los suministros y demás accesorios con los que se prevé equipar el buque. El problema es que el costo y el tiempo para desarrollar un modelo a escala es alto; pero gracias a la tecnología de impresión 3D, estos valores se reducen significativamente.
Trabajamos en conjunto con la empresa Farallones Consultores, la cual proporcionó copia de los planos marítimos del barco; y en base a ellos se realizó el modelo 3D en la computadora usando Rhinoceros v5; Luego se imprimió con la impresora Felix Printers 3.0 hasta lograr el resultado final [37].
DISEÑO Y MANUFACTURA DE UN PRODUCTO 29
Control Numérico por Computadora
Para la máquina, estos comandos representan parámetros a configurar: velocidad, avance y posición de la herramienta.
SOLIDWORKS R 31
Solidworks R
Conceptos básicos
Para realizar un conjunto o ensamblaje se debe diseñar cada una de las piezas que lo componen y guardarlas como archivos de piezas independientes. El módulo de ensamblaje permite insertar cada una de las piezas y asignar relaciones geométricas de posición para definir tridimensionalmente el ensamblaje. Parte El módulo Parte es un entorno de trabajo donde puede diseñar modelos utilizando herramientas de diseño de operaciones flexibles e intuitivas.
Ensamblaje El módulo Ensamblaje consiste en un entorno de trabajo preparado para crear conjuntos o ensamblajes insertando los modelos 3D creados en el módulo Pieza.
SOLIDWORKS R 33 ensamblajes se definen por el establecimiento de relaciones geométricas entre las piezas integrantes
Gestor de diseño
Exportación de archivos de impresión en 3D
Generación de archivo para CNC
Diseño del Delfin Explorador I
CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO 35
Construcción del prototipo
Elaboración de soportes y chumaceras en polietileno
Y continuamos con el diseño en SolidWorksR (Fig. 3.10a) tanto de los soportes como de los rodamientos, para su fijación. Para el corte de las piezas se utiliza una fresadora CNC Sable-2015 (Fig.3.10b), mediante el uso de una fresadora CNC se cortan estas piezas en polietileno, este material fue elegido por su alta resistencia al impacto y compresión mecánica (Fig. 3.11a).
Los cojinetes propuestos en el diseño "Delfin Explorer I" también están cortados en polietileno (Figura 3.12a).
CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO 37 correcto giro de los ejes, tanto del mecanismo de inmersión de los sensores de batimetría como de los
Elaboración de los cascos en 3-D
CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO 37adecuada rotación de los ejes, tanto del mecanismo sumergible de los sensores batimétricos como. DESARROLLO DE PLATAFORMA EXPERIMENTAL: DOLPHIN EXPLORER I El casco se divide en secciones debido a sus dimensiones, las secciones se imprimen y posteriormente se unen. Esta versión del casco (Fig. 3.15), si se coloca en agua, no puede permanecer en la superficie debido a la fuga de material.
Elaboración del Molde
CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO 39
Elaboración de la base central
Elaboración de los cascos en fibra de vidrio
DESARROLLO DE LA PLATAFORMA EXPERIMENTAL: Acelerador DELFIN EXPLORER I y se aplica sobre las capas de fibra de vidrio. Una vez solidificada la resina, el siguiente paso es retirar la pieza de fibra de vidrio. La cubierta de cada uno de los cascos también está fabricada en fibra de vidrio.
CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO 41
Construcción del Mecanismo para instrumentos de batimetría
Montaje de soporte de Propulsores
Prototipo Delfin I
Esta tarjeta es ideal para este trabajo debido a sus características electrónicas y capacidades de procesamiento.
Diagrama a bloques del sistema embarcado
Este capítulo analiza el sistema electrónico que hace posible el funcionamiento del USV.
Subsistema de procesamiento
SUBSISTEMA DE PROCESAMIENTO 45 instalando la imagen del sistema operativo en la tarjeta Micro SD.
SUBSISTEMA DE PROCESAMIENTO 45 diante la instalación de la imagen del sistema operativo en una tarjeta Micro SD. Se recomienda una
Configuración de la Raspberry PI 3 B
Lenguaje de programación
SISTEMA ELECTRÓNICO EMPOTRADO Python, la biblioteca estándar es muy extensa y proporciona cobertura de aplicaciones básicas: cadenas, criptografía, estructura de datos, funciones numéricas y matemáticas, compresión de datos, etc. El paquete modular de procesamiento de datos (MDP) está diseñado para usarse como marco para desarrollar el procesamiento de datos científicos y el procesamiento de señales digitales.
Subsistema de Posición
Subsistema de Orientación
Subsistema de actuadores
El diseño permite enfriar el motor con agua y lubricar los casquillos de plástico con agua. Los servomotores encargados del azimut de los propulsores fueron elegidos del tipo submarino, de 15 kg con engranaje metálico, DS-3118MG 15KG. La potencia de los propulsores se puede controlar mediante una señal PWM, el rango de funcionamiento es de 1100 a 1900us (Fig. 4.5a).
La placa tiene los pines en el orden correcto para conectar los servos sin problemas y un bloque de terminales para alimentar los servos.
RESUMEN DE LOS CIRCUITOS SELECCIONADOS 49
Resumen de los circuitos seleccionados
Por lo tanto, es posible realizar acciones de control en el UPS incorporado; Los movimientos hacia adelante y los giros a babor o estribor pueden contribuir al movimiento alrededor del eje z.
Resultados
- Pruebas del casco
- PRUEBA DEL SISTEMA ELECTRÓNICO EMBARCADO 53
- Prueba del sistema electrónico embarcado
- Prueba experimental de sensores
- Prueba de sensores y actuadores
- PRUEBA DEL SISTEMA ELECTRÓNICO EMBARCADO 57 Para evitar un excesivo consumo de potencia, para esta prueba experimental, la máxima potencia de
- PRUEBA DE LA LEY DE CONTROL PD 59
- Prueba de la ley de control PD
- PRUEBA DE LA LEY DE CONTROL PD 61
- PRUEBA DE LA LEY DE CONTROL PD 63 Los valores de los parámetros se determinaron de forma experimental (Tabla 5.2)
- PRUEBA DE LA LEY DE CONTROL PD 65
Sin embargo, la información generada por los sensores se almacena en la memoria interna de la Raspberry. El ancho de estas líneas de puntos depende de la velocidad del USV que se mueve a través de la piscina. El efecto de la acción de los propulsores azimutales provoca el desplazamiento del USV.
PRUEBA DE LA LEY DE CONTROL PD 63 Los valores de los parámetros se determinaron experimentalmente (Tabla 5.2).
Conclusiones
Trabajo Futuro
Robust control of unmanned surface vehicle dynamics under disturbances (sea waves and currents). Automatic marina: a review from the point of view of control. Revista Iberoamericana de Automatica e Informática Industrial. Nomenclature for dealing with the motion of a submerged body through a fluid. Society of Naval Architects and Marine Engineers, Technical and Research Bulletin No. Pages 1-5, 1950.
Comparison of Linear and Nonlinear Feedback Term Combinations for Marine Surface Vessel Motion Control.IFAC-PapersOnLine.
55] Hossein Mousazadeh, Hamid Jafarbiglu, Hamid Abdolmaleki, Elham Omrani, Farshid Monhaseri,
Los códigos G se utilizan para ordenar acciones específicas de una máquina: movimientos simples de la máquina, funciones de perforación o acciones más complejas que pueden incluir herramientas eléctricas adicionales. Cada código G tiene un número de grupo, por ejemplo: Grupo 1, Comanda movimientos punto a punto del eje de la máquina. El Grupo 7 es una función de compensación de herramienta de corte. Las funciones M se utilizan para programar funciones especiales de la máquina como las siguientes: iniciar o detener el husillo, iniciar o detener el suministro de refrigerante.
Hay dos formas de contar los pines de Raspberry Pi, en modo GPIO o BCM.
DISEÑO DE UN VEHÍCULO ACUÁTICO NO TRIPULADO PARA ÁREAS COSTERAS
