Modelado y control de un vehículo marino de superficie no tripulado

Abstract

La tecnología de modelado hidrodinámico y sistemas de control de vehículos marinos ha progresado enormemente en estos años recientes. En especial, los vehículos de superficie no tripulados (USV’s) han encontrado un número de campos en los que su aplicación es de gran utilidad, desde la monitorización del agua hasta la recogida de residuos y el estudio de fondos marinos.

Surge entonces la idea de realizar una herramienta informática que, sin exigir una excesiva cantidad de datos y parámetros, y pensada para uso ingenieril de análisis, sea capaz de simular el comportamiento de un vehículo controlado de forma autónoma en un entorno marino gobernado por unas leyes de control.

Entonces, este proyecto consiste en la creación de dicha herramienta. Para ello el proyecto se divide en diferentes capítulos, cada uno con un objetivo distinto, con el fin de organizar de forma coherente esta memoria.

Lo primero sería realizar un estudio analítico de las actuaciones del vehículo, junto a las fuerzas que intervienen en su movimiento. Es por tanto objetivo de este capítulo establecer las ecuaciones y relaciones entre parámetros que rigen el comportamiento del USV.

Después, se pasaría a construir un modelo dinámico sencillo del vehículo, pero lo suficientemente completo como para que se aproxime a la realidad y a las físicas que participan en la simulación. Para ello se necesitará determinar valores apropiados para los parámetros que definen el problema.

Una vez logrado esto, se comenzarán a crear una serie de controladores funcionales que sean capaces de dirigir el USV en el entorno de acuerdo a las a leyes de control que se establezcan previamente.

Finalmente, con el modelo y controlador ya terminados, se probará su alcance y su fiabilidad para distintas configuraciones de actuadores y distintas misiones, comparando los resultados obtenidos para hallar la configuración óptima. Acto seguido, a la vista de los resultados, se emitirán unas conclusiones finales sobre el proyecto.

The technology of hydrodynamics modeling and marine craft motion control systems has progressed greatly in recent years. In particular, unmanned surface vehicles (USV’s) have found a number of fields in which their application is of great utility, such as water monitoring, waste collection or seabed study.

The idea is to create an informatic tool that, without demanding an excessive quantity of data and parameters, and designed for an engineer use, will be able to simulate the behaviour of an autonomous vehicle in a marine environment ruled by a set of control laws.

So, this project consists in the creation of that app. For this, the project is divided into different chapters, each with a different objective, in order to organize this report in a coherent way.

First, we will carry out an analytic study about the performances of the vehicle, together with the forces that take part in its movement. Therefore, the objective of this chapter is to establish the equations and relationships between parameters that govern the USV’s behaviour.

Afterwards, we would go on to build a simple but complete dynamic model so that it approximates reality and the physics that participate in the simulation. In order to achieve that, it will be needed to establish proper values for the parameters that define the problem.

Once this is achieved, we will begin to create a series of functional controllers that will be able to lead the USV on the environment in accordance with the control laws previously established.

Finally, with the model and controller already finished, we will test its scope and reliability for different actuators configurations and missions, comparing the results obtained in order to find the optimal configuration. Then, in view of the results, we will issue final conclusions about the project.