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DISEÑO DE VEHÍCULO DE SUPERFICIE ACUÁTICA NO TRIPULADO PARA MONITOREO DE CUERPOS DE AGUA

Por: Por: Francisco Cuéllar, Jorge Ramírez y Diego Quiroz, Tumi Robotics y José Balbuena, Pontificia Universidad Católica del Perú.

Resumen 

Se presenta el diseño, implementación y validación de un vehículo de superficie no tripulado (USV), capaz de recolectar información sobre la calidad de agua y medir parámetros de batimetría en cuerpos de aguas continentales en el Perú. 

El vehículo se desarrolló con el objetivo de convertirse en una herramienta de monitoreo de polución en ambientes acuáticos y evaluación de infraestructura sumergida, mejorando con esto los métodos y técnicas convencionales. 

El USV está compuesto por: un sistema de video, que mejora la maniobrabilidad a largas distancias; una sonda multiparámetro para medición de temperatura, pH, oxígeno disuelto, turbidez, conductividad y materia orgánica disuelta; un sensor de batimetría para análisis de volumen; GPS para posicionamiento, y una estación base, que crea una red inalámbrica local por donde se transmite y recibe información. 

Las pruebas de validación que permitieron analizar el correcto desempeño del dispositivo fueron realizadas en lagos ubicados en los Andes peruanos a una altura por encima de los 4,000 m.s.n.m.

Introducción

El agua es un recurso natural muy importante para el desarrollo de un país, utilizado en diversas actividades productivas (minería, hidroeléctricas e hidrocarburos, entre otros). Es obligación de las empresas de dichos sectores, sujetos al Sistema de Evaluación del Impacto Ambiental, realizar el monitoreo de la calidad de los cuerpos de agua con el fin de determinar si cumplen con los Estándares de Calidad Ambiental (ECA) y los Límites Máximos Permisibles (LMP). Siendo así, es necesario contar con herramientas tecnológicas que permitan incrementar la efectividad en el monitoreo, análisis y control de ecosistemas y el ciclo hidrológico. 

El diseño, implementación y utilización en distintos campos de los Vehículos de Superficie no Tripulados (USV, por sus siglas en inglés) ha venido en aumento en las últimas décadas1 a 3

La versatilidad y adaptabilidad que poseen son unas de las principales características por las cuales este tipo de vehículos han cobrado gran interés y se han utilizado en distintos campos4, 5.

En la revisión de las investigaciones relacionadas, se encontró distintos tipos de prototipos que han sido desarrollados con: monitoreo ambiental6, análisis batimétricos y extracción de muestras de agua. Por ejemplo, la plataforma Oasis fue usada para el monitoreo y registro de parámetros de calidad de aire y agua, utilizando energía solar como fuente de alimentación7

En Shanghái, un Vehículo de Superficie Autónomo (ASV) fue desarrollado con el objetivo de medir la profundidad y flujo de agua mediante sensores modulares8. En Italia, un prototipo similar de ASV fue construido para medir concentración de metales pesados9. En algunos prototipos, se encontró que incluían adicionalmente un conjunto de botellas Niskin para recolección de muestras10

En el presente artículo se explicará el diseño de un USV que es capaz de soportar las condiciones climáticas presentes en lagos a grandes alturas (mayores a 4,000 m.s.n.m.). El USV se controla a través de un sistema embebido, el cual genera un Interfaz Gráfica de Usuario (GUI), en la que se puede observar y guardar la información en tiempo real. 

El artículo se divide en las siguientes secciones: en la Sección I, se presenta una breve introducción del estado del arte; en la Sección II, se describe y analiza el diseño mecánico, electrónico y el desarrollo del software del vehículo; en la Sección III, se describen los experimentos realizados y se discuten los resultados obtenidos, y finalmente en la Sección IV, se presentan las conclusiones obtenidas y el trabajo futuro que se realizará con el USV.

Diseño e implementación

El diseño total del USV se realizó considerando distintos requerimientos para soportar las condiciones ambientales del entorno donde desarrollará su trabajo. Asimismo, se tomaron en consideración las distintas características de los modelos que se mencionaron en la descripción del estado del arte en la Sección I.

Requerimientos

Entre los principales requerimientos del sistema robótico se encuentran los siguientes:

ν La estructura del USV debe ser resistente a la corrosión y resistente a los golpes para prevenir daños en los elementos del sistema.

ν Los componentes electrónicos deben tener como mínimo protección IP65 según la norma IEC 6052.

ν El USV debe tener una velocidad aproximada de 1 m/s.

ν Las dimensiones no deben exceder 1.5 m x 1.2 m x 1 m, para facilitar el transporte y almacenamiento.

ν La autonomía de la energía debe de ser como mínimo 2 horas.

ν La distancia mínima de envío de datos y comunicación es de 0.5 km.

Con los requerimientos mencionados, se diseñó el USV mostrado en la Figura 1 y sus principales características se presentan en la Tabla 1. A continuación se describen los componentes mecánicos, electrónicos y de software del sistema. 

Diseño mecánico

La estructura mecánica del USV consta de tres partes principales: 1) los cascos, que son la base del vehículo; 2) el marco de unión de los cascos, que soporta el compartimiento electrónico principal y los sensores de calidad de agua, y 3) el mástil delantero que soporta el GPS y el transmisor inalámbrico WLAN. 

Durante el desarrollo del prototipo, se consideró que la parte más importante del USV son los cascos, puesto que estos elementos son los que brindan soporte y estabilidad a todo el sistema. 

Se tomó al catamarán como el tipo de embarcación, puesto que poseen una gran estabilidad en aguas tranquilas como lagos y brinda una gran fuerza de empuje soportando mayores cargas. 

Diseño de los cascos: la primera característica a tomar en cuenta es el material, este tiene que ser liviano y resistir la corrosión, por este motivo se escogió la fibra de vidrio. Luego, se realiza un proceso de cálculo iterativo, en el cual se utilizan las fórmulas, coeficientes y ratios presentados11, los cuales son relaciones entre propiedades geométricas del casco mostradas en la Figura 2. Para la determinación de las principales medidas el casco debe ser visto por plano de agua (WL) y el plano medio (MP), en estos se pueden medir la longitud de la línea de agua (LWL), ancho de línea de agua (BWL), profundidad (Tc), área media (AM) y área del plano de agua (AW). 

Los coeficientes y ratios utilizados son los siguientes: el ratio entre la longitud y ancho del plano de agua (LBR) en la ecuación 1, el ratio entre el ancho y la profundidad (BTR) en la ecuación 2, el coeficiente del plano de agua (CW) en la ecuación 3, el coeficiente del plano medio (CM) en la ecuación 4 y el coeficiente prismático (CP) en la ecuación 5.

Luego del proceso iterativo, se llegó a los siguientes valores: 1) LWL igual a 1.2 m, 2) BWL igual a 0.28 m, 3) Tc igual a 0.18 m, 4) CM igual a 0.77 y 5) CP igual a 0.80. Utilizando estos valores y la densidad (ρ) del agua a las condiciones ambientales de funcionamiento, se puede calcular el empuje aproximado de los dos cascos con la ecuación 6; el valor obtenido es aproximadamente 76.4 kg. 

Diseño electrónico

El diseño electrónico está compuesto por 5 módulos como se muestra en la Figura 3. El controlador principal recolecta los datos obtenidos por los sensores y los transmite a través de una red de área local inalámbrica (WLAN) hacia una GUI. En esta se muestran el video en tiempo real (retraso de 100 ms), la profundidad del lago, la posición GPS y los parámetros de calidad del agua. El desplazamiento del vehículo se controla a través de un sistema de radio frecuencia (banda de 2.4 GHz) que acciona los propulsores. La fuente de energía consiste en un banco de baterías LiPo y usando un conversor se obtienen 12 V para energizar la ecosonda de batimetría, el GPS y la sonda multiparámetro. 

También se usa un inversor que alimenta el transmisor WLAN, por último se utiliza un regulador de 5 V para alimentar al controlador principal y la unidad de medición inercial (IMU).

El controlador principal está compuesto por el sistema embebido Raspberry Pi 3 y un Arduino Mega 2560. Este último recopila información de los sensores a través de sus puertos seriales. El Raspberry Pi 3 se encarga: 1) procesar los datos que recibe del Arduino por medio de USB y 2) crear un servidor local donde se muestra la información procesada junto al video de las cámaras a través de una aplicación web.

El desplazamiento del USV se logra usando propulsores en una configuración diferencial, es decir, se manipula independientemente la velocidad rotacional de cada propulsor, con lo cual se puede direccionar el vehículo tanto en el avance como en el retroceso. 

El módulo de sensores está compuesto por dispositivos de navegación como es el caso del IMU, que permite conocer la orientación, ángulos de Euler (pitch, roll and yaw), del vehículo, y las dos cámaras web, que ayudan a que el operador evite colisiones. Adicionalmente se encuentran los sensores de caracterización del cuerpo de agua, los cuales son:

Ecosonda: es un instrumento usado en estudios hidrográficos que permite medir la profundidad del cuerpo de agua usando ondas de sonido. El USV usa una ecosonda mono haz, con un rango entre 0.3 a 100 m, con una precisión de 0.01 m a una frecuencia de 10 Hz. 

Sistema de posicionamiento global (GPS): este sensor proporciona la latitud y longitud, información que junto a la profundidad obtenida por la ecosonda, permite realizar la batimetría. El GPS posee frecuencias de muestreo de 1, 2, 10 o 20 Hz con una precisión de 0.6 m usando el sistema de aumentación basado en satélites (SBAS).

Sonda multiparamétrica: es un instrumento que acopla diversos sensores de medición de calidad del agua. Los parámetros a medir por la sonda son: temperatura, pH, turbidez, conductividad, oxígeno disuelto, salinidad, total de sólidos disueltos (TDS) y materia orgánica disuelta (CDOM). La sonda se encarga de reunir la información de los sensores a una frecuencia de 1 Hz.

Implementación del software

El software del USV consta de una interfaz gráfica de usuario (GUI) desarrollada como una aplicación web, que permita visualizar las medidas de los sensores y video de ambas cámaras en tiempo real. De esta forma se proporciona al operario una retroalimentación visual de la ubicación y movimientos del USV que le asisten en maniobrar la embarcación de forma adecuada. 

La interfaz de usuario consiste en una aplicación web basada en HTML con JavaScript generada en un servidor local puesto en línea por el controlador RaspBerry Pi. 

La página web desarrollada consta de tres secciones principales: la primera, ubicada en la parte superior derecha, contiene la señal proveniente de las cámaras de video; mientras la segunda, ubicada en la parte inferior derecha, contiene la ubicación del USV, trayecto recorrido y profundidad histórica recolectada en la misión actual. 

Finalmente, la tercera sección, ubicada en la izquierda de la pantalla, muestra las variables recolectadas por los sensores del USV. Estas variables se encuentran organizadas en subsecciones indicando los parámetros de calidad del agua mencionados anteriormente, la posición del USV y la profundidad medida.

Resultados experimentales

Se realizaron dos pruebas de campo para verificar el desempeño del USV. La primera se desarrolló en el lago de la Viuda en la provincia de Canta, (Lima, Perú) a 4,500 m.s.n.m. En esta etapa se usó una cuerda de seguridad debido a la presencia de neblina que dificultaba la maniobrabilidad del USV. Se trató de seguir una trayectoria recta mientras se medían los parámetros anteriormente mencionados. En la Figura 5 se muestra la trayectoria obtenida por el GPS y en la Figura 6 se presenta el perfil batimétrico. 

La segunda prueba fue en la laguna de Langui (3,969 m.s.n.m.) en Cusco (Perú). El ensayo tuvo como finalidad validar la maniobrabilidad del USV y recolectar datos para identificar el modelo del sistema (https://www.youtube.com/watch?v=lLXmP9fNoBw&t). 

Cabe resaltar que, a diferencia de la primera prueba, se usaron dos antenas Wi-Fi para la comunicación inalámbrica; una de estas se ubicada en la estación base en la orilla de la laguna y la otra montada en el USV. Para la realización de la segunda prueba se ejecutaron las pruebas mencionadas a continuación:

Prueba de teleoperación: se evaluó la capacidad de maniobrabilidad del vehículo realizando una serie de movimientos los cuales se muestran en la Figura 7. De izquierda a derecha, los desplazamientos consistieron en: movimiento circular en sentido horario, movimiento circular en sentido antihorario, cuatro giros de 90° en sentido horario, cuatro giros de 90° en sentido antihorario y una prueba de zigzag. Para comparar la precisión de la rutina, se realizó una transformación geoespacial de los datos obtenidos por el GPS durante la prueba y se grafican usando el software Matlab.

En la Figura 8, se muestra el primer viaje donde se desarrollaron los movimientos mencionados anteriormente. Primero, se procedió a llevar el vehículo entre 3 a 5 metros dentro del lago para tener espacio suficiente y realizar las maniobras descritas anteriormente.

Prueba de recolección de datos: el objetivo fue demostrar la capacidad de adquisición de datos de los sensores y su almacenamiento en archivos en formato CSV. Cabe destacar que el proceso de toma de datos y la prueba de teleoperación se realizaron en simultáneo. 

Conclusiones y futuros trabajos 

1. Luego de analizar los datos recolectados en las pruebas, se concluye que el USV es capaz de operar en cuerpos de agua ubicados a más de 4,000 m.s.n.m., cumpliendo al 100% con los requisitos iniciales del diseño. 

2. No se observaron filtraciones en ningún compartimiento; los componentes mecánicos resistieron golpes y granizo; se alcanzó la velocidad promedio de 1 m/s y una distancia de comunicación mayor a 500 metros.

3. Finalmente, en futuros trabajos se implementará un sistema autónomo que controle el movimiento del USV para probarlo en campo. Asimismo, se implementarán algoritmos con el fin de brindar al vehículo la capacidad de generar trayectorias y evadir obstáculos en distintos tipos de ambientes.

4. La solución tecnológica permitirá que industrias de diferentes rubros (minería e hidrocarburos, entre otras) realicen con mayor eficiencia operaciones de monitoreo y control de calidad ambiental y los LMP, contribuyendo de esta forma al cuidado y preservación del medio ambiente durante sus operaciones. 

5. Los pobladores aledaños a ríos y lagos podrán estar al tanto de los indicadores ECA y LMP, lo cual aunado a un adecuado proceso de explicación y análisis de los resultados puede fortalecer y mejorar la relación entre las comunidades e industrias extractivas. 

6. La tecnología de robots acuáticos será un factor importante para mejorar la gestión integral de los recursos hídricos, así como brindar datos objetivos que permitan tomar mejores decisiones para la preservación de los ecosistemas acuáticos.

Agradecimentos

Los autores agradecen a Cienciactiva de Concytec y la Embajada del Reino Unido, que mediante el contrato No. 009-2016 del Fondo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (Fondecyt), financiaron el desarrollo del presente proyecto. Asimismo, se agradece a la Pontificia Universidad Católica del Perú y a la University College London por el soporte brindado durante el desarrollo del proyecto.

Referencias 

[1] J. E. Manley. 2016. “Unmanned Maritime Vehicles, 20 years of commercial and technical evolution”, Ocean. 2016 MTS/IEEE Monterey, OCE 2016, pp. 1–6.

[2] V. Bertram. 2018, “Unmanned Surface Vehicles – A Survey”, Ski. Selsk. Copenhagen, Denmark, pp. 1–14.

[3] J. E. Manley. 2008. “Unmanned surface vehicles, 15 years of development”, Ocean. 2008, vol. 2008–Suppl, pp. 1–4.

[4] A. 2013. “Unmanned Maritime Vehicles: Core Capabilities and Market Background,” Assoc. Unmanned Veh. Syst. Int., vol. 100, pp. 1–16.

[5] R. jian Yan, S. Pang, H. bing Sun, and Y. jie Pang. 2010. “Development and missions of unmanned surface vehicle,” J. Mar. Sci. Appl., vol. 9, no. 4, pp. 451–457.

[6] J. Balbuena, D. Quiroz, R. Song, R. Bucknall, and F. Cuéllar. 2017. “Design and Implementation of an USV for Large Bodies of Fresh Waters at the Highlands of Peru”.

[7] J. Higinbotham, P. Hitchener, and J. Moisan. 2006. “Development of a New Long Duration Solar Powered Autonomous Surface Vehicle”, in OCEANS 2006, pp. 1–6.

[8] J. Wang, W. Gu, and J. Zhu. 2009. “Design of an autonomous surface vehicle used for marine environment monitoring”, in Proceedings - International Conference on Advanced Computer Control, ICACC 2009, pp. 405–409.

[9] G. Ferri et al. 2011. “Design, fabrication and first sea trials of a small-sized autonomous catamaran for heavy metals monitoring in coastal waters,” Proc. - IEEE Int. Conf. Robot. Autom., no. Vi, pp. 2406–2411.

[10] T. Taher, G. D. Weymouth, and T. Varghese. 2013. “Novel platform for ocean survey and autonomous sampling using multi-agent system”, Ocean. 2013 MTS/IEEE Bergen Challenges North. Dimens.  

[11] B. S. Theory. 2001. “Basic Ship Theory- Volume 1”, Spine (Phila. Pa. 1976)., vol. 1, no. 4, pp. 201–205.

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