Arquitectura de control para vehículos solares autónomos de superficie para aguas someras en misiones de larga duración

• Autores: Inocencio González Reolid
• Directores de la Tesis: Francisco José Ortiz Zaragoza (dir. tes.), Antonio Guerrero González (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Cartagena ( España ) en 2021
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Angel Pérez Ruzafa (presid.), Ana Mª. Nieto Morote (secret.), Ramón I. Barber Castaño (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Energías Renovables y Eficiencia Energética por la Universidad Politécnica de Cartagena
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Repositorio Digital de la UPCT
• Resumen
  • español

    Resumen de la tesis:

    Los mares del mundo son un recurso valioso, así como un elemento clave en la ecología y sostenibilidad del medio ambiente, que necesitan protección como una fuente importante de alimentos, riqueza y vida. El manejo exitoso de los recursos marinos se consigue mediante el monitoreo de los parámetros físico-químicos relacionados con la calidad del agua, como la salinidad, la temperatura, el oxígeno disuelto, los nitratos, los fosfatos, la densidad, el pH y los niveles de clorofila, entre otros.

    Para monitorizar correctamente los parámetros de la calidad del agua del medio marino, se propone en esta tesis una arquitectura de control para un vehículo autónomo de superficie ASV para realizar misiones de larga duración que se puede anclar sobre fondos someros y comportarse como boya fija para optimizar la energía de la misión, lo que se ha llamado en esta tesis comportamiento híbrido ASV-Boya. Este vehículo se autoabastece con energía solar fotovoltaica e incorpora sistemas de detección especializados para medir la calidad del agua. A este sistema robótico conjunto se la ha llamado observatorio oceanográfico robótico. El sistema es una combinación de vehículo autónomo y boya fija, cuya energía y autonomía de navegación se gestionan gracias a una arquitectura de software capaz de tomar decisiones de forma inteligente y autónoma. Esta embarcación altamente especializada es novedosa porque tiene la capacidad de anclarse al lecho marino y convertirse en una “boya”, ya sea para tomar medidas en puntos específicos o para recargar sus baterías y navegar explorando una determinada área tomando muestras del entorno. La arquitectura de control diseñada es de tipo híbrida, que combina una capa deliberativa dividida en dos niveles, el Nivel Estratégico y el Nivel Táctico, que son los que toman las decisiones y una capa reactiva, el Nivel Operativo, donde se ejecutan los comportamientos reactivos.

    De los estudios de los vehículos autónomos que han sido descritos en la literatura, como los vehículos operados a distancia (ROV), los vehículos autónomos subacuáticos (AUV) y los vehículos autónomos de superficie (ASV), todos tienen una autonomía de suministro energético limitada, debido a la capacidad de sus baterías, por tanto, el área que pueden cubrir también lo es. No disponen de sistemas de producción y gestión inteligente de su energía, que permitan optimizar su empleo en misiones de larga duración, y planificar adecuadamente las zonas a monitorear.

    Este ASV-Boya proporciona una solución novedosa y logra una presencia autónoma permanente en lagos o aguas costeras poco profundas. Esto mejora la autonomía en el monitoreo de los parámetros de calidad del agua y evita los problemas asociados con el despliegue de un gran número de sistemas de observación marina basados en boyas fijas, que influyen y afectan al tráfico marítimo, al medio ambiente, al turismo y el costo involucrado.

    Todas las operaciones de la embarcación son gestionadas por la arquitectura de control implementada en el vehículo. El sistema de toma de decisiones calcula la ruta a la siguiente área que se explorará teniendo en cuenta una serie de parámetros, que incluyen: la posición del vehículo, los parámetros físico-químicos del agua, la distancia a la siguiente área de exploración, la radiación solar, la energía disponible en sus baterías, la velocidad del viento y dirección, corrientes de agua, etc.

    La tesis contempla el diseño y simulación del modelo de arquitectura de control mediante el software Matlab/Simulink, para verificar la viabilidad del mismo, introduciendo datos similares a los obtenidos en el mundo real.

    Se propone una estrategia de clasificación de zonas georreferenciadas de exploración que facilitan la toma de decisiones en la viabilidad de la ruta de exploración. Para ello se divide la zona de exploración (en esta tesis el Mar Menor) en cuadrículas georreferenciadas, estableciendo una base de datos de las coordenadas de cada zona, al objeto de tener claramente diferenciados y ordenados los valores de los parámetros físico-químicos de cada zona, cuando se realizan las exploraciones.

    También se describe una misión de monitoreo permanente en el Mar Menor, con una combinación de energía solar y una estrategia de toma de decisiones con respecto a la ruta óptima a seguir. Al final se incluyen los resultados de la simulación de la misión y de la energía, así como una descripción de las misiones de monitoreo reales obtenidas en el experimento realizado.

    Se propone para futuras investigaciones el despliegue de varios de estos robots para explorar una determinada zona marina.

  • English

    ABSTRACT The world's seas are a valuable resource, as well as a key element in the ecology and sustainability of the environment, needing protection as an important source of food, wealth and life. The successful management of marine resources is achieved by monitoring the physical-chemical parameters related to water quality, such as salinity, temperature, dissolved oxygen, nitrates, phosphates, density, pH and levels. chlorophyll, among others.

    To correctly monitor the parameters of the water quality of the marine environment, a control architecture for an autonomous surface vehicle ASV is proposed in this thesis to carry out long-duration missions that can be anchored on shallow waters and behave as a fixed buoy to optimize the energy of the mission, what has been called in this thesis hybrid behavior ASV-Buoy. This vehicle is self-sufficient with photovoltaic solar energy and incorporates specialized detection systems to measure water quality. This joint robotic system has been called the robotic oceanographic observatory. The system is a combination of an autonomous vehicle and a fixed buoy, whose energy and navigation autonomy are managed thanks to a software architecture capable of making intelligent and autonomous decisions. This highly specialized vessel is novel because it has the ability to anchor itself to the seabed and become a "buoy", either to take measurements at specific points or to recharge its batteries and navigate exploring a certain area taking samples of the environment. The control architecture designed is of a hybrid type, which combines a deliberative layer divided into two levels, the Strategic Level and the Tactical Level, which are the decision-makers, and a reactive layer, the Operational Level, where reactive behaviors are executed.

    Of the studies of autonomous vehicles that have been described in the literature, such as remotely operated vehicles (ROV), autonomous underwater vehicles (AUV) and autonomous surface vehicles (ASV), all have limited autonomy of energy supply Due to the capacity of their batteries, therefore, the area that they can cover is also important. They do not have systems for the production and intelligent management of their energy, which make it possible to optimize their use in long-term missions, and to adequately plan the areas to be monitored.

    This ASV-Buoy provides a novel solution and achieves a permanent autonomous presence in lakes or shallow coastal waters. This improves autonomy in the monitoring of water quality parameters and avoids the problems associated with the deployment of a large number of marine observation systems based on fixed buoys, which influence and affect maritime traffic, the environment, tourism. and the cost involved.

    All vessel operations are managed by the control architecture implemented in the vehicle. The decision-making system calculates the route to the next area to be explored taking into account a series of parameters, including: the position of the vehicle, the physico-chemical parameters of the water, the distance to the next exploration area, the solar radiation, the energy available in its batteries, wind speed and direction, water currents, etc.

    The thesis contemplates the design and simulation of the control architecture model using Matlab / Simulink software, to verify its viability, introducing data similar to those obtained in the real world.

    A strategy for classifying georeferenced exploration zones is proposed to facilitate decision-making on the viability of the exploration route. For this purpose, the exploration area (in this thesis the Mar Menor) is divided into georeferenced grids, establishing a database of the coordinates of each area, in order to have clearly differentiated and ordered the values of the physical-chemical parameters of each area, when the scans are carried out.

    A permanent monitoring mission in the Mar Menor is also described, with a combination of photovoltaic harvesting solar-power and a decision-making strategy regarding the optimal route to follow. At the end, the results of the mission and energy simulation are included, as well as a description of the actual monitoring missions obtained in the experiment carried out.

    The deployment of several of these robots to explore a certain marine area is proposed for future research.