1
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO SUBMARINO PARA EXPLORACIÓN (MECAROV)
JEISSON HARVEY MARTINEZ FLÓREZ MARIO ANDRÉS RODRÍGUEZ PINEDA MICHAEL STEVEN MOLINA DAZA ISAAC NAHANIEL SILVA URBINA
Proyecto presentado para la materia de Diseño Mecatrónico
PROFESOR: PABLO ANDRES GOMEZ MONSALVE ING. MECATRÓNICO MSC. EN CONTROLES INDUSTRIALES
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA CÚCUTA, COLOMBIA 2016
2
Resumen
TITULO: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO SUBMARINO PARA EXPLORACIÓN (ROV) Palabras Clave: submarino, ROV, vehículo, remoto, exploración, diseño. Un Vehículo operado remotamente (ROV) es un robot submarino de tamaño reducido, compacto, aerodinámico y herméticamente diseñado para profundidades extremas, equipado con elementos de medición, sensores, cámaras, manipuladores robóticos para fines científicos, militares, exploración, búsqueda y rescate, trabajos peligrosos o entretenimiento. El siguiente texto ilustra el diseño y desarrollo de un ROV, el cual es un prototipo educativo, básico y funcional para la exploración subacuática con movimientos omnidireccionales y a bajas profundidades. Se exponen las etapas de su desarrollo, siendo una investigación aplicada y experimental donde se emplean conocimientos en Electrónica, Programación, Diseño Mecatrónico y principios de Mecánica de Fluidos relacionados con el diseño del ROV. Los resultados hasta el momento son gratificantes, se han realizado análisis y pruebas a los distintos sistemas de comunicación, propulsión e inmersión, se ha establecido el diseño mecánico y electrónico. La meta es que el prototipo una vez fabricado cumpla con sus parámetros preestablecidos.
Abstract
TITLE: DESIGN AND CONSTRUCTION OF A PROTOTYPE SUBMARINE EXPLORATION (ROV) Keywords: submarine, ROV, vehicle, remote, exploration, design. A vehicle operated remotely (ROV) is a submarine robot small, compact, streamlined and tightly designed for extreme depths size, equipped with measuring elements, sensors, cameras, robotic manipulators for scientific, military, exploration, search and rescue work dangerous or entertainment. The following illustrates the design and development of an ROV, which is a basic and functional prototype for underwater exploration with omnidirectional movements and at low depths. stages of development are exposed, being an applied and experimental research where knowledge is used in Electronics, Programming, Design Mechatronics and Fluid Mechanics principles related to the design of ROVs. The results so far are gratifying, there have been analyzes and tests to different communication systems, propulsion and immersion, has been established mechanical and electronic design. The goal is that once manufactured the prototype meets your preset parameters.
3
Introducción
Un submarino es un tipo especial de buque capaz de navegar bajo el agua además de poder navegar en la superficie, gracias a un sistema de flotabilidad variable. Usados extensamente por vez primera en la Primera Guerra Mundial, en la actualidad forman parte de todas las armadas importantes, y especialmente de la estadounidense, la rusa, la británica y la armada china. El término «submarino» comprende una amplia gama de tipos de buque, yendo desde los pequeños para dos personas, que sirven para examinar el fondo del mar unas pocas horas, hasta los nucleares, que pueden permanecer sumergidos durante medio año y portar misiles nucleares capaces de destruir varias ciudades. Hay también submarinos especializados usados para competiciones entre universidades (Tipos de Submarinos, 2016). Los submarinos están pensados para descender a grandes profundidades. Para ello, deben ser capaces de sumergirse, de emerger y de flotar en la superficie. Todo esto lo consiguen alterando su peso, gracias a un sistema de tanques con el que pueden almacenar tanto aire como agua. Para emerger utilizan el aire comprimido, expulsando agua de los tanques de lastre, a través de unas válvulas. Cuando el submarino llega a la superficie, los tanques de lastre se vacían por completo. Para la inmersión, el agua entra por las válvulas inferiores y el aire va saliendo por las superiores. La posición de equilibrio se consigue gracias a los timones de inmersión, que están situados de popa a proa (Tipos de Submarinos, 2016). El presente proyecto consiste en el diseño y construcción de un prototipo sumergible explorador el cual tiene como objetivo cumplir los criterios que se definirán en el contenido del presente trabajo. Este prototipo deberá cumplir principalmente con un desplazamiento en tres ejes. Dicho prototipo incluirá de diversos sensores para su protección, regulación y exploración del medio, también tendrá diversos accesorios como lo es la cámara y la iluminación led.
4
TABLA DE CONTENIDO
1.
2.
INTRODUCCION AL PROYECTO .................................................................................... 10 1.1
Planteamiento del Problema....................................................................................................... 10
1.2
Objetivos....................................................................................................................................... 10
1.2.1
General: ................................................................................................................................ 10
1.2.2
Específicos: ........................................................................................................................... 10
1.3
Acotaciones................................................................................................................................... 11
1.4
Justificación ................................................................................................................................. 11
MARCO TEÓRICO ............................................................................................................... 12 2.1
Vehículos Submarinos ................................................................................................................. 12
2.1.1
Tipos de vehículos submarinos: ......................................................................................... 12
2.2 Algo de Historia…................................................................................................................... 12 2.3 Subsistema de los Vehículos Sumergibles ............................................................................. 17 2.4 Tipos de Vehículos Sumergibles ............................................................................................ 17 2.5 Vehículos Sumergibles Tripulados Remotamente ............................................................... 19 2.5.1
Características de los ROV ................................................................................................. 20
2.5.2
Principio de Movimiento de Propulsión de un ROV ........................................................ 21
2.5.3
Sistemas de propulsión para un ROV................................................................................ 23
2.5.4
Principio de Inmersión de un ROV ................................................................................... 23
2.5.5
Sistemas de Inmersión para un ROV ................................................................................ 25
2.5.6
Sistemas de Comunicación de un ROV ............................................................................. 27
2.5.7
Control de un ROV ............................................................................................................. 29
2.5.8
Características y Aspectos importantes de un ROV ........................................................ 29
2.6 Antecedentes ............................................................................................................................ 30
3.
2.6.1
Robot Submarino Bio-Inspirado con Aleta Ondulatoria ................................................. 30
2.6.2
Submarino Caballero Escarlata ......................................................................................... 31
2.6.3
USTAROV ........................................................................................................................... 31
2.6.4
Submarino ICTINEU 3 ....................................................................................................... 32
2.6.5
ROV KAIKO ....................................................................................................................... 32
DISEÑO ................................................................................................................................... 33
3.1 Proceso de Diseño .................................................................................................................... 33 3.1.1
Pre-Diseño ............................................................................................................................ 34
5 3.1.2
Diseño ................................................................................................................................... 34
3.1.3
Post-Diseño ........................................................................................................................... 34
3.2 Diseño Conceptual y Preliminar ............................................................................................ 35 3.2.1
Requisitos de Rendimiento ................................................................................................. 35
3.2.2
Disposición de los Elementos .............................................................................................. 36
3.2.3
Geometría ............................................................................................................................. 39
3.2.4
Sistema de Propulsión e Inmersión .................................................................................... 45
3.2.5
Sistema Eléctrico ................................................................................................................. 58
3.2.6
Sistema de Control y Navegación ....................................................................................... 62
3.2.7
Sistemas Auxiliares.............................................................................................................. 72
3.2.8
Hermeticidad ....................................................................................................................... 74
3.3 Diseño Final ............................................................................................................................. 75 3.3.1
Diseño en 3D - CAD............................................................................................................ 75
3.3.2
Planos en 3D ......................................................................................................................... 76
4.
CONCLUSIONES................................................................................................................... 98
5.
REFERENCIAS ...................................................................................................................... 99
6
LISTA DE FIGURAS FIGURA 1. Sumergible Campana del británico Edmund Halley ........................................... 13 FIGURA 2. Sumergible El Turtle de David Bushnell ................................................................ 13 FIGURA 3. Sumergible Flach diseñado por el Ing. Karl Flach .............................................. 13 FIGURA 4. Sumergible Ictíneo II construido por Narciso Monturiol .................................... 14 FIGURA 5. Sumergible de Isaac Peral ...................................................................................... 14 FIGURA 6. Sumergible SM U-1 de la Armada Alemana ......................................................... 15 FIGURA 7. Submarino USS Nautilus ........................................................................................ 15 FIGURA 8. El Nautile del Instituto Francés para las Ciencias Marinas Ifremer .................. 15 FIGURA 9. Sumergible Turístico Tourist Submarine (T-Sub) …... ........................................ 16 FIGURA 10. Sumergible Poodle construido por Dimitri Rebikoof .......................................... 16 FIGURA 11. Sumergible Vare XN-3 de la Marina de Estados Unidos .................................... 16 FIGURA 12. Subsea 7 AIV para inspecciones en instalaciones petroleras submarinas ....... 17 FIGURA 13. James Cameron en el mini submarino Deepsea Challenger en el 2012 ............. 18 FIGURA 14. Sumergible AUV MUN EXPLORER ................................................................... 18 FIGURA 15. Sumergible ROV SEAOTTER-2 .......................................................................... 19 FIGURA 16. a) Flujo sobre cuerpos rígidos b) Fuerza de Arrastre y de Sustentación .......... 21 FIGURA 17. Propulsor Submarino KZ 12K-300 ........................................................................ 23 FIGURA 18. Principio de Arquímedes actuando en un Submarino ....................................... 24 FIGURA 19. Inmersión Dinámica por planos de Profundidad ............................................... 25 FIGURA 20. Inmersión Dinámica por Motor de Empuje ........................................................ 26 FIGURA 21. Inmersión Estática por Émbolo ............................................................................ 26 FIGURA 22. Inmersión Estática por medio de Bomba ............................................................ 27 FIGURA 23. Red de comunicación submarina para un ROV ................................................. 28 FIGURA 24. ROV Bio-Inspirado ................................................................................................ 30 FIGURA 25. ROV RU27 “Caballero Escarlata” ...................................................................... 31 FIGURA 26. USTAROV .............................................................................................................. 31 FIGURA 27. Submarino ICTINEU 3 ......................................................................................... 32 FIGURA 28. ROV KAIKO .......................................................................................................... 32 FIGURA 29. Proceso de Diseño a Seguir ................................................................................... 33 FIGURA 30. Material Acrílico .................................................................................................... 36 FIGURA 31. Material Fibra de Vidrio ....................................................................................... 37 FIGURA 32. Material Policloruro de Vinilo ............................................................................... 38
7
FIGURA 33. Coeficientes de arrastre Cilindros Cortos Horizontales .................................... 46 FIGURA 34. Dimensiones Cuerpo Principal del Prototipo ...................................................... 46 FIGURA 35. Dimensiones Cubierta Motores Horizontales ..................................................... 47 FIGURA 36. Coeficientes de arrastre Cilindros Cortos Verticales ......................................... 48 FIGURA 37. Dimensiones Cubierta motores verticales .......................................................... 48 FIGURA 38. Dimensiones Tobera motores verticales ............................................................. 49 FIGURA 39. Dimensiones eslabones verticales de la base ....................................................... 49 FIGURA 40. Superficies Analizadas en el cálculo del arrastre ............................................... 50 FIGURA 41. Centro de gravedad en Modelo CAD .................................................................. 53 FIGURA 42. Motor Dwt6500 ...................................................................................................... 54 FIGURA 43. Motor Brushless A2212/13t 1000 KV ................................................................... 55 FIGURA 44. Motor HTI DC Htbrr04206705b ......................................................................... 55 FIGURA 45. Hélice cuatro aspas ................................................................................................ 56 FIGURA 46. Hélice dos aspas ..................................................................................................... 56 FIGURA 47. Hélice tres aspas ..................................................................................................... 57 FIGURA 48. Hélice cinco aspas .................................................................................................. 57 FIGURA 49. Batería LiPo ........................................................................................................... 58 FIGURA 50. Batería De Celda Seca ............................................................................................. 59 FIGURA 51. Fuente de Poder DC .............................................................................................. 60 FIGURA 52. Tipos de Cable AWG ............................................................................................. 61 FIGURA 53. Placa Arduino ........................................................................................................ 62 FIGURA 54. Placa Raspberry Pi .................................................................................................. 62 FIGURA 55. Xbee.......................................................................................................................... 63 FIGURA 56. Radio Frecuencia .................................................................................................... 64 FIGURA 57. Modulo Bluetooth ................................................................................................... 64 FIGURA 58. Comunicación Serial................................................................................................ 65 FIGURA 59. Cable de Pares ......................................................................................................... 65 FIGURA 60. Cable Coaxial ......................................................................................................... 65 FIGURA 61. Sensor de Gas MQ135 ............................................................................................ 66 FIGURA 62. Sensor de Humedad y Temperatura DHT11 ....................................................... 67 FIGURA 63. Sensor de Presencia IR PIR HC-SR501 ................................................................ 67 FIGURA 64. Sensor de corriente GY-712-30 ª ........................................................................... 68 FIGURA 65. Sensor de presión BMP180 .................................................................................... 69
8
FIGURA 66. Sensor acelerómetro y giroscopio GY-521 ........................................................... 69 FIGURA 67. Puente H-BTS7960 ................................................................................................. 70 FIGURA 68. Software de control Labview-Arduino ................................................................. 71 FIGURA 69. Cámara VGA de 2 Mpx ......................................................................................... 73 FIGURA 70. Led de alta Potencia 10 W ..................................................................................... 73 FIGURA 71. Hermeticidad ............................................................................................................ 74 FIGURA 72. Estanquidad ............................................................................................................ 74 FIGURA 73. Vistas generales de MECAROV-X ....................................................................... 75 FIGURA 74. Plano general MECAROV-X ................................................................................ 76
9
LISTA DE TABLAS
TABLA 1. Casco Principal ........................................................................................................... 40 TABLA 2. Cúpula Frontal de Acrílico ......................................................................................... 40 TABLA 3. Tapa Posterior............................................................................................................. 40 TABLA 4. Protector para Motores en tubo PVC con tapa ....................................................... 41 TABLA 5. Tobera para Hélices.................................................................................................... 41 TABLA 6. Eslabones de Conexión de los motores al casco principal (PVC) ........................... 41 TABLA 7. Eslabones Transversales para la base del prototipo (PVC) .................................... 42 TABLA 8. Eslabones longitudinales para la base del prototipo (PVC) con tapas .................. 42 TABLA 9. Uniones en forma de T para la base del prototipo (PVC)…... ................................ 42 TABLA 10. Eslabón de sujeción y sujeción para LEDs (PVC) con tapa .................................. 43 TABLA 11. Aletas de Estabilidad ................................................................................................ 43 TABLA 12. Manija de Agarre de Acero Inoxidable .................................................................. 43 TABLA 13. Caja Interna en Acrílico........................................................................................... 44 TABLA 14. Eje direccional con el sujetador de las aletas estabilizadoras ............................... 44 TABLA 15. Volúmenes desplazados por cada estructura ......................................................... 52 TABLA 16. Consumo eléctrico del prototipo .............................................................................. 58 TABLA 17. Resistencia del cable AWG ....................................................................................... 60 TABLA 18. Tabla de costos MECAROV-X ................................................................................ 97
10
1. INTRODUCCION AL PROYECTO 1.1 Planteamiento del Problema El reconocimiento y recorridos en las zonas subacuáticas se convierten en una tarea difícil de ejecutar dependiendo de la escala en la que se quiera realizar. Para este proyecto se deben cumplir requisitos de alto grado de dificultad que imponen un reto a superar. El principal es: ¿Cómo diseñar y construir un prototipo que se sumerja y emerja del agua, que además se desplace horizontal y verticalmente realizando recorridos comandados a distancia fuera del agua? A esto se le suma todo lo que conlleva la realización de esta tarea. Comenzando por comprender el principio científico que rige la flotación o hundimiento de cuerpos en el agua (principio de Arquímedes). Los mecanismos para aplicar dicho principio al prototipo, que incluye sistemas de inmersión y equilibrio tanto estático como dinámico. Las difíciles condiciones que se tienen en el agua también son una dificultad a superar. Tales como las diferencias de presión, la mala comunicación inalámbrica, el aislamiento eléctrico, los mecanismos de propulsión, los controles de pilotaje, la necesidad de lograr la hermeticidad entre otras, presentan una dificultad estructural y funcional para el prototipo.
1.2 Objetivos
1.2.1
General:
Diseñar y construir un prototipo básico y funcional para la exploración subacuática operado remotamente, con el fin de realizar recorridos omnidireccionales y a profundidades considerables.
1.2.2
Específicos:
Investigar e Identificar los diferentes tipos de vehículos sumergibles existentes en la actualidad, sus características principales y los principios físicos hidrodinámicos que los rigen. Establecer los criterios de diseño y desempeño del prototipo a construir. Diseñar la estructura mecánica del ROV con el uso de la herramienta CAD Solidworks para visualizar los modelos, parámetros físicos y estructurales. Construir el Prototipo y validar el funcionamiento del ROV.
11
1.3 Acotaciones El tiempo preestablecido para realizar el prototipo es aproximadamente dos meses ya que este ya ha sido establecido por el ingeniero a cargo en el área. No se puede olvidar del costo que conlleva la realización del proyecto. Esto constituye el reto al que nos enfrentamos, y a lo que se espera dar la mejor solución posible. No presenta un desplazamiento con precisión una vez sumergido, ya que el prototipo cumple solo con los movimientos en los ejes preestablecidos. El peso se quiere que no sobre pase los 5 kg debido a que si sobrepasa puede ocasionar que el prototipo permanezca sumergido y no logre salir a flote. La profundidad máxima que puede alcanzar el prototipo es aproximadamente 5 metros no solo porque no se cuenta con el lugar adecuado para sobrepasar este límite, sino que a su vez la comunicación del prototipo está limitada por cable.
1.4 Justificación
El ser humano siempre ha querido llegar hasta el rincón más profundo, desconocido e inhóspito de la tierra, no importa como deba hacerlo o cuán difícil sea llegar a cierto punto, el deseo es el control y conocimiento de su entorno. Uno de éstos es el ambiente acuático, sea el mar, un rio o un lago. En estos medios acuáticos se hallan innumerables motivos suficientes para explorar toda su extensión. Se les relaciona con tesoros, secretos del universo, especies desconocidas de flora y fauna, el cambio climático, así como el montaje de industrias petroleras y mineras, entre otros. Pero explorar el medio acuático no es nada fácil, se lucha contra las profundidades, la oscuridad, elevadas presiones, temperaturas y ambientes contaminados, cosas que el ser humano puede tolerar en un rango mínimo. Por este motivo se han inventado los vehículos sumergibles, usados en un principio para fines militares como submarinos de guerra, posteriormente aplicados para la exploración, para transporte, el turismo, para trabajos hostiles, los hay remolcadores, y los especializados en áreas específicas de investigación. En este proyecto se va a realizar la tarea de diseñar y construir un vehículo sumergible comandado a distancia, que tenga un comportamiento básico y funcional para realizar tareas de exploración recreativas, con recorridos y profundidades cortos. Se quiere que cumpla con los requisitos mínimos que debe tener un prototipo de esta índole, y que sirva a su vez de plataforma para la investigación y el desarrollo de la temática relacionada con estos dispositivos, y de las habilidades y conocimientos adquiridos de quienes trabajamos en este proyecto.
12
2. MARCO TEÓRICO
2.1 Vehículos Submarinos “El submarino es un tipo de transporte acuático que tiene la cualidad de poder navegar ya sea bajo el agua, a grandes profundidades, o bien, sobre la superficie gracias a un sistema de flotabilidad variable. Mayormente son utilizados en el campo militar, aunque también con fines científicos, para investigaciones, rescates, exploración, turismo y recreación, entre otras aplicaciones más específicas” (Tipos de Submarinos, 2016). 2.1.1
Tipos de vehículos submarinos:
A. Submarinos Civiles: Funcionan mayormente con fines turísticos o recreativos, en zonas de atractivos marítimos, tropicales, etc. Son de un tamaño reducido y su diseño pensado para que permita la apreciación del entorno acuático (Tipos de Submarinos, 2016). B. Submarinos Militares: Son los de mayor uso. Su eficacia radica que son difícilmente detectables dado que están sumergidos, y constan de equipamiento necesario de armamento. Los hay de diversos tipos dependiendo de sus características, funciones y objetivos (Tipos de Submarinos, 2016).: Submarinos Balísticos: Están dotados de misiles y armamento para ser utilizado a grandes distancias. Submarinos Nucleares: Funcionan a través de la propulsión generada por un reactor nuclear del que van equipados. Batiscafo: Conocido como vehículo de inmersión profunda, son utilizados con fines científicos o militares, para medición, exploración y rescate a grandes profundidades. Están dotados de complejos elementos de medición, tecnología de registro, Sensores, cámaras, etc. Submarinos no tripulados: son artefactos de un disminuido tamaño en comparación con cualquier otro, y es controlado virtualmente con mandos a distancia. Su diseño compacto y aerodinámico permite su llegada a profundidades extremas y gracias a su equipamiento de última tecnología de registro transmite todo tipo de información con respecto a mediciones, profundidad, presión del agua, imágenes, etc. 2.2 Algo de Historia… Desde la antigüedad el hombre ha tenido la necesidad de sumergirse en medios acuáticos para obtener los recursos de sus profundidades, como por ejemplo recolectar perlas, oro, esponjas marinas, entre muchas más. Algunos de los sumergibles más relevantes desarrollados por el hombre son: En el año 1960 el británico Edmund Halley inventa una campana de madera (Figura 1) forrada de plomo con el peso conveniente distribuido para evitar que la campana vuelque durante la inmersión. La campana tenia forma cónica y en la parte superior disponía de un vidrio para ver el exterior, mientras que en la parte inferior había 3 cuerdas con un peso de 50 kilos para mantenerla
13
fija en el fondo o en suspensión. La diferencia de estas con las anteriores campanas inventadas en la época, es que ésta incluía un sistema de alimentación de aire (Madero D. y Duran J. 2012, p.26).
Figura 1: Sumergible Campana del británico Edmund Halley
“En 1776 El Turtle (Figura 2), un pequeño submarino monoplaza de casco de madera forrado de plancha de cobre y accionado a pedales, que sólo podía navegar a flor de agua, fue diseñado por el americano David Bushnell. Fue la primera nave submarina usada en la Guerra de la Independencia de los estados unidos, consiguiendo atacar la fragata y buque insignia inglesa Eagle de Lord Howe, anclada en la entrada de la Bahía de Nueva York el 6 de septiembre de 1776, siendo felicitado y recompensado por el propio George Washington en persona” (Nacho Padró, 2013). Figura 2: Sumergible El Turtle de David Bushnell
En 1865 el Flach (Figura 3), diseñado y construido por el ingeniero chileno-alemán Karl Flach, comisionado por el gobierno de Chile, durante la guerra que este país junto a Perú, libró
Figura 3: Sumergible Flach diseñado por el Ing. Karl Flach
14
contra España entre 1864 y 1866. El invento de Flach era simple. Totalmente hecho de hierro, el submarino tenía una eslora de 12,5 metros, una manga de 2,5 metros y un peso cercano a las 100 toneladas. Alcanzaba una velocidad de 2 a 3 nudos, impulsado a propulsión humana, con un sistema de cigüeñales y pedales que movían sus dos hélices, y se hundía con un ingenioso sistema de arrastre de pesos de un lado a otro de la nave (Alam Miguel Loyo Ramos, 2016, p.2). En 1867 en Barcelona, se construye el primer submarino con motor de combustión el Ictíneo II (Figura 4), propulsado por vapor y peróxido, construido por Narciso Monturiol. Medía 17 m de largo y desplazaba 65 t. Inicialmente la propulsión era una hélice que giraba mediante manubrios accionados por 16 hombres, pero en vista del escaso rendimiento dos años más tarde se añadió un motor a vapor de 6 CV. La nave estaba diseñada para albergar una tripulación de 2 personas, sumergirse 30 m y permanecer bajo el agua 2 horas (Alam Miguel Loyo Ramos, 2016, p.2).
Figura 4: Sumergible Ictíneo II construido por Narciso Monturiol
El primer submarino militar completamente útil fue el submarino de Peral (Figura 5) de propulsión eléctrica construido por el ingeniero, marino y profesor español de física matemática en la Escuela de Ampliación de Estudios de la Armada, Isaac Peral y Caballero para la Armada Española, prototipo que iba a ser usado en la Guerra Hispano-estadounidense. Se botó el 8 de septiembre de 1888. Tenía un tubo lanzatorpedos, con dos torpedos de recarga además del que iba ya montado en el tubo, nuevos sistemas de aire, un casco ahusado, propulsor y controles externos con forma de cruz, anticipando diseños muy posteriores. Su velocidad subacuática era de 10 nudos, pero adolecía de un corto alcance debido a la alimentación por baterías de sus sistemas (Alam Miguel Loyo Ramos, 2016, p.2).
Figura 5: Sumergible de Isaac Peral
15
La primera vez que los submarinos militares tuvieron un impacto significativo en batalla fue en la Primera Guerra Mundial. Cuerpos como los U-Boot alemanes actuaron en combate en la Batalla del Atlántico y fueron responsables del hundimiento del RMS Lusitania, lo que recibe buena parte del crédito de la decisión de Estados Unidos de entrar en la guerra. En 1906 se crea el SM U-1 (Figura 6), el primer submarino de la armada alemana. Estaba diseñado para realizar misiones de 18 días y puede sumergirse hasta 30 metros (Submarinos de la Primera Guerra Mundial, 2015).
Figura 6: Sumergible SM U-1 de la Armada Alemana
En los años 1950, la energía nuclear reemplazó parcialmente a la propulsión diésel-eléctrica. Este sistema se desarrolló para extraer también oxígeno del agua del mar. Estas dos innovaciones dieron a los submarinos la habilidad de permanecer sumergidos durante semanas o meses, y permitieron viajes previamente imposibles, como la travesía del Polo Norte bajo la capa de hielo ártico por el USS Nautilus en 1958 (Figura 7). La mayoría de los submarinos militares construidos desde esa época en los Estados Unidos y Rusia han sido propulsados por reactores nucleares. Los factores que limitan la permanencia subacuática de estos buques son los suministros alimenticios y los problemas psicológicos de una tripulación confinada en un espacio tan limitado (Iliá Krámnik, 2014). Figura 7: Submarino USS Nautilus
Los submarinos no solo son con propósitos militares, también se han creado para fines Científicos, por ejemplo, El Nautile (Figura 8) es un submarino de aguas profundas tripulado perteneciente al Instituto Francés de Investigación para Ciencias Marinas Ifremer. Puede llegar a una profundidad de inmersión de 6.000 metros, lo que le permite explorar el fondo del mar en un 97%. Desde su puesta en marcha en 1984 ha realizado alrededor de 1.500 inmersiones (Madero D. y Duran J. 2012, p.28).
Figura 8: El Nautile del Instituto Francés para las Ciencias Marinas Ifremer.
16
También se han creado para fines recreativos por ejemplo el Tourist Submarine (Figura 9) (T-Sub) submarino turístico de 24 pasajeros, diseñado para el mercado del ocio bajo el agua. Profundidad de funcionamiento: 300 pies (100 m). Peso: 35 toneladas. Tripulación: Dos pilotos y veinticuatro pasajeros. Las grandes ventanas en todos los lados. Aire acondicionado, luces externas, comunicaciones, video y sonares (Madero D. y Duran J. 2012, p.35). Figura 9: Sumergible Turístico Tourist Submarine (T-Sub)
En el área de los ROVS, el primer dispositivo de este tipo conocido en la historia es el Poodle (Figura 10) construido en 1953 por Dimitri Rebikoff, utilizado principalmente para realizar investigaciones arqueológicas (Madero D. y Duran J. 2012, p.26).
Figura 10: Sumergible Poodle construido por Dimitri Rebikoof
La marina de los Estados Unidos empieza a emplear los ROVs para recuperar artefactos explosivos que se perdían en el fondo del mar en las fases de prueba, el primer ROV utilizado para estos fines fue el Vare XN-3 (Figura 11) en 1961 (Madero D. y Duran J. 2012, p.32).
Figura 11: Sumergible Vare XN-3 de la Marina de Estados Unidos
17
Otro campo de desarrollo de los sumergibles es en el sector productivo de petróleo y gas, por ejemplo, el Subsea 7 AIV (Figura 12), diseñado para inspecciones de campo en sitios de producción de hidrocarburos (Vehículos de Inspección Autónoma, 2012).
Figura 12: Subsea 7 AIV para inspecciones en instalaciones petroleras submarinas
El tipo de Vehículos Submarinos de interés en el desarrollo de este proyecto son los de menor tamaño, que tienen fines científicos, educativos, de recreación o trabajos hostiles. Estos vehículos submarinos también conocidos como vehículos sumergibles se clasifican de la siguiente manera: 2.3 Subsistema de los Vehículos Sumergibles Los subsistemas en un vehículo sumergible nos indican el tipo de tecnología que pueden tener y su importancia en el desarrollo e impacto a futuro que pueden tener estos robots, para más aclaración se pueden clasificar en tres aspectos importantes: Crítico: Este subsistema permite crear o mejorar capacidades del robot o vehículo importantes. Incrementales: Este subsistema le brinda propiedades al vehículo de las cuales podrá evolucionar y mejorar criterios – aspectos en una manera progresiva. Desarrollo Maduro: Este subsistema representa un desarrollo muy lento o casi nulo en las secciones donde no es posible que haya un desarrollo u optimización de alguna característica del vehículo o robot. 2.4 Tipos de Vehículos Sumergibles Existen tres tipos de vehículos sumergibles hasta la fecha y se catalogan como: DSV (Vehículo de inmersión Profunda) Este tipo de vehículos sumergibles (Figura 13) se caracterizan por la gran diferencia a los otros dos, que estos son tripulados por personas dentro de los vehículos. Gozan de muchos beneficios en lo que respecta al tamaño, capacidad y manejo.
18
La gran ventaja de este tipo es gracias a la capacidad del ser humano para percibir cosas y tener una visión de 360° dentro del vehículo la cual le permite observar primero las cosas que en un vehículo no tripulado. Su gran deficiencia es el costo de producción ya que se tienen que tomar medidas preventivas para su funcionamiento porque albergara numerosas vidas humanas y también debe tener un tiempo de trabajo lo más prolongado posible.
Figura 13: James Cameron en el mini submarino Deepsea Challenger en el 2012
AUV (Vehículo Autónomo Sumergible) Este tipo de vehículos se caracteriza por no tener tripulación, ni cordón umbilical el cual lo controle y alimente (Figura 14). Estos vehículos autónomos sumergibles han progresado tecnológicamente muy poco con el paso de los años ya que por las limitantes tecnológicas se frena su desarrollo. La mayor parte de los AUV son financiadas por el ejército con fines prácticos para sus misiones de reconocimiento y defensa. La gran ventaja que tienen estos vehículos es el bajo costo que tienen, la capacidad para poder maniobrar por su propia cuenta, aunque esto a su vez se convierte en una desventaja ya que si llegase a tener averías sería muy complicado localizarlo y por ende se daría por perdida la unidad marina
Figura 14: Sumergible AUV MUN EXPLORER
19
El prototipo sumergible se clasifica en la categoría de los ROVs ya que cumple con las principales características de éste tipo de sumergible, siendo necesario entonces explicar sus conceptos, sus usos, principios, etapas, y partes principales que lo conforman. ROV (Vehículo de Operación Remota) Los vehículos sumergibles operados remotamente o por sus siglas conocidos como ROV’S (Figura 15), son robots submarinos comandados a distancia, están conectados a un barco o centro de control en la superficie acuática por medio de un cable umbilical. A través de este cable se transmiten las órdenes, datos, información recolectada y se suministra la energía al ROV. Han tenido un desarrollo y crecimiento muy extenso en las últimas décadas ya que como su nombre indica pueden ser piloteados sin la necesidad de tener una tripulación a bordo de ellos, la cual es la característica más importante de este robot (Que es un ROV, 2014). Es muy utilizado en el sector energético, las compañías petroleras han invertido una gran cantidad de recursos para el desarrollo de ROV’S principalmente para utilizarlos en el mantenimiento y detección de problemas en sus líneas de gas natural y petróleo que cruzan los océanos.
Figura 15: Sumergible ROV SEAOTTER-2
2.5 Vehículos Sumergibles Tripulados Remotamente En el centro de control, puede haber desde una persona con un ordenador hasta una sala completa llena de varios ordenadores supervisados por varias personas que controlan al ROV, todo depende del tamaño, la dimensión de instrumentos y las tareas que disponga. Los ROVs pueden llevar una gran variedad de extremidades robóticas para realizar trabajos en las profundidades, cámaras de video, tanques de almacenamiento de muestras, sistemas de iluminación, sensores, entre otras herramientas necesarias para cumplir la función para la que es construido y destinado el sumergible. Los ROVs se crean debido a la necesidad del hombre de trabajar en un medio hostil y de poco acceso como es el agua. Es cierto que un buzo puede trabajar debajo del agua y es más eficiente, pero un buzo está mucho más limitado que un ROV por causas físicas como la falta de oxígeno, la
20
pérdida de temperatura al trabajar durante muchas horas debajo del agua, la presión la cual hace que a ciertas profundidades un buzo requiera posteriormente una cámara hiperbárica o que directamente sea incapaz de trabajar a dichas presiones y bajas temperaturas. También se crean por la necesidad del hombre de explorar los rincones más profundos e inaccesibles de los medios acuáticos, recuperar objetos perdidos en el fondo marino o de un lago, para investigaciones sobre naufragios de embarcaciones u otros submarinos, para la búsqueda y rescate, entre muchas otras aplicaciones. Por todas estas razones se da la necesidad para el hombre de crear este dispositivo o vehículo sumergible (Propuesta de dispositivos, circuitos y sistemas en ROV de búsqueda, 2016).
2.5.1
Características de los ROV
La principal característica de este robot es el reconocimiento visual, acústico y electrónico del medio hostil, zona, orificios o conductos en donde él se encuentre sumergido. Servir de apoyo para misiones de reconocimiento para los organismos de seguridad y apoyo del estado. Tener capacidad de propulsión y maniobrabilidad de alto nivel en diversos medios. Un ROV también se caracteriza por tener un bajo costo, utilizando materiales de bajo mantenimiento y abasto y una construcción robusta. Manipulación de elementos peligrosos como productos radiactivos e incendiarios. Realiza trabajos mecánicos como perforaciones, colocación de tuberías, limpieza de fondos.
21
2.5.2
Principio de Movimiento de Propulsión de un ROV
El movimiento de propulsión es regido por un fenómeno físico tratado por la Mecánica de Fluidos. Este fenómeno es el Flujo sobre Cuerpos Rígidos: arrastre y sustentación (Figura
a) Figura 16:
a) Flujo sobre cuerpos rígidos
b) b) Fuerza de Arrastre y de Sustentación
16). Este fenómeno explica que cuando un fluido se desplaza sobre un cuerpo sólido o viceversa, se ejercen fuerzas de presión normales a la superficie y fuerzas de corte paralelas a la superficie exterior del cuerpo a lo largo de éste. Usualmente existe interés en la resultante de estas fuerzas de presión y de corte que actúan sobre el cuerpo (Cengel Y. y Cimbala J. 2006, p.90). . La componente de la fuerza de presión y corte resultante que actúa en la dirección del flujo se llama Fuerza de Arrastre y la componente que actúa perpendicular a la dirección del flujo se llama Fuerza de Sustentación. Siempre debe existir un movimiento relativo entre el fluido y el cuerpo. Cuando se analiza este movimiento con el sistema coordenado fijado sobre el cuerpo, se le conoce como flujo sobre cuerpos o flujo externo. Los campos de flujo y geometrías de los cuerpos dificultan el análisis y determinación analítica de estas fuerzas de arrastre y sustentación, por lo tanto, se apoya en correlaciones basadas en datos experimentales, como por ejemplo pruebas en túneles de viento o programas de computadora. La velocidad del fluido que se aproxima a un cuerpo, o del cuerpo que se mueve a través de un fluido se llama velocidad de flujo libre y se denota con V. La forma del cuerpo influye en el flujo sobre el cuerpo y el campo de velocidad. Se dice que el flujo sobre el cuerpo es bidimensional cuando el cuerpo es muy largo y de sección
22
transversal constante y el flujo es normal al cuerpo. Otra clasificación es el flujo axisimétrico y bidimensional que es cuando el cuerpo tiene simetría rotacional en torno a un eje en la dirección del flujo por ejemplo una bala que perfora el aire. También se pueden clasificar en flujo tridimensional cuando no se puede modelar como bidimensional o axisimétrico como en el caso de un automóvil. El flujo puede ser incompresible por ejemplo flujos sobre autos, submarinos y edificios y también puede ser compresible por ejemplo en flujos sobre aeronaves rápidas, cohetes y misiles. A su vez los cuerpos sometidos a flujo de fluidos se clasifican como currentilíneos si se hace un esfuerzo conciso por alinear su forma con las líneas de corriente anticipadas en el flujo (autos de la F1 o aviones) y como cuerpos romos cuando tiende a bloquear el flujo (edificios). Las fuerzas de arrastre y sustentación dependen de la densidad 𝜌 del fluido, la velocidad corriente arriba 𝑉 y el tamaño, forma y orientación del cuerpo, entre otras cosas. Convenientemente se trabaja con parámetros adimensionales adecuados que representan las características de arrastre y sustentación del cuerpo. Estos parámetros son el coeficiente de arrastre 𝐶𝐷 y de sustentación 𝐶𝐿 . Las expresiones matemáticas para la fuerza de arrastre y de sustentación son las siguientes. 1
𝐹𝐷 = 2 . 𝜌. 𝑉 2 . 𝐴. 𝐶𝐷
1
𝐹𝐿 = 2 . 𝜌. 𝑉 2 . 𝐴. 𝐶𝐿
Donde A es el área frontal del cuerpo (el área proyectada sobre un plano normal a la 1 dirección del flujo). El término 2 . 𝜌. 𝑉 2 es la presión dinámica. La determinación de los coeficientes de arrastre ha sido el tema de numerosos estudios (experimentales) y en la literatura existe una gran cantidad de datos de coeficientes de arrastre para casi cualquier geometría de interés práctico. En general el coeficiente de arrastre depende del número de Reynolds, en especial para números de Reynolds por debajo de aproximadamente 104 . A números mayores, los coeficientes permanecen en esencia constantes. Los efectos inerciales son despreciables en flujos con número de Reynolds bajo de 𝑅𝑒 < 1 y son llamados flujos de Stokes. Por ello es necesario recurrir a tablas que proporcionan los coeficientes de arrastre para flujos con distintos números de Reynolds que pasan sobre cuerpos bidimensionales y tridimensionales con geometría conocida. Por experiencia se sabe que para mover un cuerpo en un líquido es necesario generar un mayor esfuerzo debido a la resistencia que éste opone que es mayor que la del aire. Aplicándolo a los submarinos o vehículos sumergibles es vital conocer esta resistencia o fuerza de arrastre que el agua le ofrece al submarino, esto para tener el conocimiento de que cantidad de fuerza debe tener el sistema propulsor, para vencer la resistencia del agua a deformarse producto del movimiento del submarino. En el capítulo 3 de Diseño se explicará mejor el cálculo y determinación de esta fuerza y del sistema de propulsión.
23
2.5.3
Sistemas de propulsión para un ROV
Figura 17: Propulsor Submarino KZ 12K-300
Para poder generar entonces un movimiento de avance del submarino es necesario tener un tipo de propulsor que está conformado por Motor, Hélice y Tobera (Figura 17). Éste convierte energía eléctrica en energía mecánica para brindarle una propulsión y tenga la capacidad de moverse sin problema alguno. Se pueden utilizar motores comunes, no interesa si son DC o AC. El problema que se presenta aquí es el medio en el que se desplazan los vehículos sumergibles el cual es el agua y pueda ocasionar un mal funcionamiento de los motores (Madero D. y Duran J. 2012, p.48). Hay dos formas para que un vehículo sumergible tenga la capacidad de movimiento bajo un medio líquido como lo es el agua: Movimiento a base de aspas que se le pueden añadir al rotor del motor las cuales le darán el impulso al medio liquido en el que se encuentran y se podrá ejercer una fuerza de movimiento suficiente para mover el vehículo. Movimiento a base de bombeo de agua el cual se puede utilizar a base de uno o varios tipos de bombeos para ejercer presión con el mismo fluido del líquido y así tener un impulsador a base del mismo liquido o medio donde se encuentre el vehículo. 2.5.4
Principio de Inmersión de un ROV
El sistema de inmersión está regido por otro principio físico tratado por el área de la Mecánica de Fluidos y es el de la Fuerza de Empuje o Fuerza Boyante. Este fenómeno es explicado por el principio de Arquímedes (Figura 18) el cual se expone a continuación:
24
El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado.
Figura 18: Principio de Arquímedes actuando en un Submarino
Se conoce entonces que sobre un cuerpo sumergido actúan dos fuerzas, una de ellas es el Peso del cuerpo que es vertical y dirigida hacia abajo. La otra fuerza es la Fuerza de Empuje vertical pero dirigida hacia arriba. Esta fuerza de empuje es igual al peso del fluido desalojado por el cuerpo sumergido. Las Expresiones matemáticas de estas fuerzas son las siguientes: 𝑃𝐸𝑆𝑂 = 𝑊 = 𝑃 = 𝑚. 𝑔 𝐸𝑀𝑃𝑈𝐽𝐸 = 𝐹𝐵 = 𝐸 = 𝜌. 𝑔. 𝑉 Siendo: 𝒎 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 𝒈 = 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 𝝆 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑠 𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 𝑽 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑎𝑙𝑜𝑗𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜
2.5.4.1 Tipos de Flotabilidad Existen tres tipos de flotabilidad utilizados para la construcción de un vehículo sumergible:
A. Flotabilidad Positiva La flotabilidad positiva consiste en la fuerza que ejerce un objeto dentro de un fluido donde la densidad de este objeto es menor que la densidad del fluido por lo tanto la fuerza de flotabilidad tiende a la emersión del objeto sobre el fluido. B. Flotabilidad Negativa La flotabilidad negativa consiste en la fuerza que ejerce un objeto dentro de un fluido donde la densidad de este objeto es mayor que la densidad del fluido por lo tanto la fuerza de flotabilidad tiende a la sumersión del objeto sobre el fluido.
25
C. Flotabilidad Neutra La flotabilidad neutra consiste en la fuerza que ejerce un objeto dentro de un fluido donde la densidad del objeto es igual a la densidad del fluido, por lo tanto, las fuerzas ejercidas por ambos factores se nulifican dejando en reposo estático al objeto. La flotabilidad neutra es la más utilizada en el caso de los Rov’s, debido a que el hecho de tener una estabilidad en las fuerzas de flotabilidad lo hacen ideal para que sea fácil moverse. Esto facilita evitar usar motores demasiado grandes cuando se usa inmersión dinámica con motor (que se explicará más adelante) ya que no deberían contrarrestar fuerzas de oposición tan grandes como es la fuerza boyante, por lo tanto, se pueden utilizar motores más pequeños, fáciles de instalar y sobretodo mucho más económico (Cengel Y. y Cimbala J. 2006, p.89).
2.5.5
Sistemas de Inmersión para un ROV
A. Sistema de Inmersión Dinámica: Por Planos de Profundidad (aletas):
Figura 19: Inmersión Dinámica por planos de Profundidad
Este tipo de sistema de inmersión (Figura 19) consiste en utilizar la fuerza hidrodinámica que ejerce el agua a las aletas del submarino cuando este está en movimiento, entre más rápido vaya más fuerza hidrodinámica se ejercerá en las aletas haciendo que se sumerja progresivamente (Comenzar la construcción de un submarino principiantes, 2015). Estos modelos solo pueden sumergirse estando en movimiento, ya que detenido no existe fuerza hidrodinámica y necesitan de una considerable velocidad.
26
Por Motor de Empuje:
Figura 20: Inmersión Dinámica por Motor de Empuje
Como lo expresa el titulo este sistema refiere al uso de uno o varios motores verticales que hunden el submarino debido al empuje de agua expulsada por estos (Figura 20). Una de las desventajas de este sistema es que para que el sumergible se mantenga a fondo estos motores deberán estar encendidos todo el tiempo creando un gran consumo de energía, y una de sus ventajas es la sencillez del modelo (Comenzar la construcción de un submarino principiantes, 2015). B. Sistemas de Inmersión Estático: Sistema de émbolo o émbolos
Figura 21: Inmersión Estática por Émbolo
Básicamente se trata de un pistón accionado a través de una gran reducción por un motor eléctrico (Figura 21), una de cuyas caras está en contacto con el agua y la otra con el aire del interior del compartimento estanco. La hermeticidad de éste debe ser mejor que en los casos anteriores, ya que debe soportar presiones y depresiones originadas por el desplazamiento del émbolo. La presión del agua actuando sobre la cara activa del pistón origina grandes fuerzas que deben ser vencidas con la reducción mecánica. Ello implica que se deben usar motores relativamente grandes para el accionamiento (Comenzar la construcción de un submarino principiantes, 2015).
27
Sistema con Bombas:
Figura 22: Inmersión Estática por medio de Bomba
Este sistema se basa en tanques y bombas reversibles generalmente de paletas o engranajes la cual tiene como objetivo alterar el peso del submarino al ingresar agua a este y vencer así la fuerza boyante haciendo que el submarino se sumerja (Figura 22). Este sistema necesita un venteo de aire para poder desalojar el aire del tanque de lastre cuando este se esté llenando de agua. Una vez que el submarino se sumerja casi por completo el sistema debe cerrar la válvula de venteo y detener la bomba, ya para emerger se procede a encender la bomba para un poco de agua haciendo que el peso del submarino sea menor que la fuerza boyante y así emerger, una vez que esté en la superficie se abre la válvula de venteo y se termina de vaciar el tanque para que emerja totalmente. En la etapa de Diseño en el Capítulo 3, se hablará cobre el sistema de Inmersión elegido para nuestro ROV y todos sus fundamentos numéricos y cálculos para garantizar una inmersión y flotabilidad eficientes que permitan cumplir con los objetivos y requisitos de rendimiento (Comenzar la construcción de un submarino principiantes, 2015).
2.5.6
Sistemas de Comunicación de un ROV
El medio por el que se puede transmitir la comunicación entre el vehículo o robot y la central de control puede ser de diversas maneras (Figura 23), estas dependen de la distancia y el medio por el cual ha de viajar la información. Dependiendo de esto la comunicación se puede dar de las siguientes formas: Con cableado directo o también llamado cable umbilical, ya sea de forma eléctrica o con fibra óptica. Comunicación acústica, puede ser con un modem digital o analógico bajo el agua. Por comunicación óptica mientras este no se sumerja, ya que si se sumerge la comunicación quedara cortada.
28
De radio frecuencia, mientras el vehículo está en la superficie o cerca de la superficie. Medio inalámbrico capaz de comunicarse unos con otros de protocolo punto a multipunto o punto a punto.
Figura 23: Red de comunicación submarina para un ROV
La forma que tiene de transmitir la información el robot al operador puede ser de las siguientes formas: Telemetría: Se transmiten datos y/o video a través del cable umbilical, por radio frecuencia, acústica, óptica, inalámbrica u otros medios. Pero con un cierto retraso, es decir primero los datos son recogidos en intervalos de tiempo por el robot y luego son enviados en esos intervalos de tiempo. Tele-Presencia: Se envía información de forma continua, el operador tiene la misma información que si estuviera dentro del vehículo. Control: Se carga y descargan las instrucciones que se han de realizar o se han realizado, antes y después de finalizar la operación o misión. Registros: Se descarga la información que se ha obtenido de la misión, es muy parecida a la anterior, pero en este caso solo se carga y descarga información no procedimientos a realizar. Por lo que la misión no puede ser modificada. Actualmente se ha intentado eliminar el cable umbilical de los ROV’s y por lo tanto convertirlos en Auv’s y hacer que transmitan por ondas de radio, pero a causa de la potencia cada vez más elevada que se ha requerido que tengan los ROVs, y que el agua de mar dificulta la transmisión de las ondas de radio, el cordón umbilical sigue siendo el mejor método para controlar las maquinas que operan debajo del agua (Comunicaciones Subacuáticas, 2016, p.1).
29
2.5.7
Control de un ROV
El sistema de control para un ROV varía dependiendo de la aplicación para la que son construidos, de los datos que deba manejar y el diseño del mismo. Para aplicaciones educativas normalmente se usan controladores de tipo código abierto como lo es Arduino, PIC, entre otros. Estos Microcontroladores ejecutan la tarea de decepcionar y comandar las señales de sensores, motores, sistemas de seguridad, sistemas de inmersión, y demás que contenga el ROV. La mayoría de estos vehículos son controlados mediante un Joystick, si este es el caso dependiendo de para que se use el vehículo, el Joystick será más o menos sensible. Contra más delicado sea el trabajo a realizar más habrá que mover el joystick para que se genere más o menos propulsión, sin embargo, contra más vasto sea el trabajo que ha de realizar, más sensible podrá ser el control del vehículo. En la etapa Diseño en el capítulo 3 se expone el sistema de control utilizado y sus principales características.
2.5.8
Características y Aspectos importantes de un ROV
2.5.8.1 Resistencia del cordón umbilical: Aunque parezca que los vehículos sumergibles no son muy hidrodinámicos y por lo tanto malgasta mucha energía a causa de ello, el caso es que mucha de la resistencia es generada por el cordón umbilical que conecta el vehículo de operación remota con el centro de control, por lo que contra mas diámetro tiene el cable umbilical más resistencia se crea. Es por ese motivo por el que en los vehículos sumergibles lo que se busca es más una forma útil de trabajo que una forma hidrodinámica (Madero D. y Duran J. 2012, p.48). 2.5.8.2 Estabilidad del vehículo El sistema de estos vehículos está construido con un centro de flotabilidad más elevado que el centro de gravedad, para dar la máxima estabilidad en los ejes laterales y longitudinales. Además, el centro de gravedad y el centro de flotación se suele intentar que estén en el centro del vehículo, por lo que, al estar el vehículo sumergido, el centro de gravedad y el centro de flotación alineados, en el caso de que el vehículo se incline este volverá a su equilibrio estático es decir volverá a su estado original (Madero D. y Duran J. 2012, p.49). 2.5.8.3 Flotabilidad En cuanto a la flotabilidad de estos vehículos tiene una flotabilidad positiva, aunque en verdad es muy poca, la mayoría inclinándose más hacia una flotabilidad neutra. Tienen un poco de flotabilidad positiva para que en caso de avería eléctrica estos salgan a la superficie, aunque sea lentamente. También hay que recalcar que a medida que el vehículo se sumerge la densidad del agua cada vez es mayor, aunque en este caso la variación será mínima y se verá parcialmente compensada por la compresión de los espacios de aire del sumergible, por lo que este cambio de densidad no es muy importante (Madero D. y Duran J. 2012, p.50).
30
2.5.8.4 Ubicación de los propulsores En cuanto a los propulsores, entre más alejados estén del eje central mejor, ya que darán más estabilidad al vehículo sumergible y por lo tanto el balanceo será menor. Es por esta razón que la mayoría de los ROVs tienen formas cuadradas, con 4 propulsores uno en cada esquina siendo geométricamente más estables. En el caso de solo poseer dos hélices de propulsión están se separan lo máximo posible para que el balanceo mencionado anteriormente sea el mínimo y el adrizamiento sea muy rápido en el caso de producirse balanceo (Madero D. y Duran J. 2012, p.50).
2.6 Antecedentes 2.6.1
Robot Submarino Bio-Inspirado con Aleta Ondulatoria
Este proyecto presenta estrategias de desarrollo y de control de movimiento para un pequeño robot submarino bioinspirado (Figura 24) que emplea un par de aletas ondulatorias para la propulsión. Cada aleta se compone de tres radios de las aletas accionadas individualmente, que están interconectadas por una membrana elástica. Un microcontrolador a bordo (Arduino Mega 2560) genera 'patrón de movimiento que dan lugar a las aletas de los rayos ondulatorios, a través del cual se obtiene la propulsión, fue creado en el 2015 (ROV Bio-inspirado, 2016).
Figura 24: ROV Bio-Inspirado
El prototipo, que es completamente sin ataduras y energéticamente autónoma, también integra una unidad de IMU / AHRS (Advanced Navigation Orientus) para fines de navegación, un módulo de comunicación inalámbrica y una cámara de vídeo de a bordo. El prototipo de robot fue desarrollado en el Laboratorio de Sistemas de Control y Robótica del Instituto Tecnológico Educativo de Creta, en Heraklion, Grecia.
31
2.6.2
Submarino Caballero Escarlata
Figura 25: ROV RU27 “Caballero Escarlata”
El sumergible RU27 “Caballero Escarlata” fue creado por la universidad de Rutgers (New Jersey) en el 2009 a mando de Oscar Schofield (Figura 25). Este submarino funciona con baterías de litio. Su forma de desplazarse es que toma el agua para bajar y la suelta para subir por medio de una bomba de flotabilidad, y se mueve gracias a sus aletas, lo que permite planear y aprovechar las corrientes del océano.
Este se encarga de transmitir por satélite información como temperatura, salinidad y densidad del agua por la que transita, la cual reciben los estudiantes del Laboratorio De Observación Oceánica Costera de la Universidad de Rutgers, aparte de eso este submarino cuenta con un sistema de localización por satélite incorporado que permite conocer su paradero. Este submarino recorrió más de tres mil kilómetros atravesando el Atlántico desde EE. UU a España (Submarino Caballero de Escarlata, 2016).
2.6.3
USTAROV
Ustarov es un prototipo robótico submarino (Figura 26) tele operado creado por Yader Dario Forero Sarmiento y Jaime Heliberto de la Universidad de Santo Tómas, en el que se implementa un sistema de trasmisión de video de tiempo real utilizando una tarjeta de desarrollo, para la exploración, búsqueda y rescate de objetos en lugares de máximo 20 metros de profundidad. Ustarov pesa 20 kg y su velocidad máxima es de 0.5 m/s, cámara Figura 26: USTAROV Logitech C-920 full HD y dos lámparas de 5 w leds. Este robot esa conectado a una estación de control, ubicada en la superficie terrestre por medio de un cable umbilical que lleva el robot, para la comunicación, la señal de video y la trasmisión de datos entre el mismo y la estación (Ethernet). Fecha: Mayo del 2014, Ciudad de Bucaramanga (Villamizar J. y Forero Y., 2014).
32
2.6.4
Submarino ICTINEU 3
Figura 27: Submarino ICTINEU 3
2.6.5
Es el primer submarino catalán del siglo XXI creado en el 2012, está diseñado para sumergirse a una profundidad máxima de 1200 metros y puede llevar un piloto y dos pasajeros en misiones de varias horas. Es el noveno submarino del mundo que puede bajar más profundidad. Está equipado con diferentes instrumentos de sondeo que se usan en trabajos e investigación marina además de los instrumentos de navegación y pilotaje. Usa baterías de ión-litio-polímero de gran capacidad y potencia que le permite desplazarse hasta 20 millas bajo el agua (Madero D. y Duran J. 2012, p.32).
ROV KAIKO
Kaiko (Figura 28) fue un vehículo submarino operado por control remoto (ROV) construido por la Agencia Japonesa de Ciencias Marinas y Tecnología (JAMSTEC) para la exploración del mar profundo. El ROV Kaiko fue capaz de romper el record que habían conseguido los americanos sumergiéndose a una profundidad de 10900 metros, una profundidad que solo se encuentra en las fosas de las Marianas. Con esto se demostró que cualquier cosa perdida en el mar puede ser recuperada o reparada, el único factor que puede hacer que no se haga es que los costes sean mayores que los beneficios (Madero D. y Duran J. 2012, p.35).
Figura 28: ROV KAIKO
33
3. DISEÑO 3.1 Proceso de Diseño
Figura 29: Proceso de Diseño a Seguir
34
En la Figura 29 se puede observar el proceso de Diseño que seguiremos durante la realización de este proyecto el cual consta de 3 etapas: Pre-Diseño, Diseño y Post Diseño. 3.1.1
Pre-Diseño En la primera se describen las tareas y objetivos que deberá cumplir el MECAROVX teniendo en cuenta siempre las limitaciones del contexto y la dimensión del proyecto. Esta etapa se ha desarrollado en el capítulo 1, donde se expone el planteamiento del problema y los objetivos. Es necesario aclarar que las funciones y características del MECAROV-X planteadas en la fase de Pre-diseño están susceptibles a cambios durante la realización del proyecto. 3.1.2
Diseño La segunda etapa llamada Diseño, está conformada por 3 Sub-etapas necesarias a la hora de planificar el diseño. En el Diseño Conceptual se deben desarrollar los requisitos de rendimiento o las capacidades del sistema, se determinan las principales características de los sistemas requeridos, se consideran las limitaciones, y se generan uno o varios diseños de prototipos que darían solución al problema planteado. En el Diseño Preliminar se elige el diseño que mejor cumpla los requisitos y funciones del prototipo. Se definen la estructura mecánica y los sistemas que llevará. Se incluyen más detalles sobre los elementos a utilizar en cada sistema y los componentes reales que van a desarrollar cada labor. Es la fase más extensa pues se deben analizar las características de todos los componentes que integran cada sistema del MECAROV-X y seleccionar en el mercado los que mejor se adapten al presupuesto y a la funcionabilidad del prototipo. En el Diseño Detallado se debe tener ya definida la estructura mecánica, el sistema electrónico, de potencia, de control, de comunicación, de propulsión, de inmersión, de hermeticidad, la geometría del prototipo, así como su visualización en 3D y sus planos a través del software SolidWorks. 3.1.3
Post-Diseño En esta etapa se encuentra la Construcción del prototipo en donde se materializará el diseño propuesto en las etapas anteriores, se realizará la compra de los componentes y materiales necesarios, se harán uso de distintas herramientas de mecanizado. Esta etapa aún no se ha desarrollado a la fecha por lo cual se tendrá una mayor explicación y detalles cuando sea realizada. Explicado el proceso de Diseño que se va a desarrollar se procede entonces a ejecutar paso a paso las etapas del mismo, dando una aclaración al respecto de las sub-etapas de diseño conceptual, preliminar y detallado, ya que éstas no se expondrán de manera secuencial, sino que se tomaran como una sola fase en la cual se tienen en cuenta cada uno de los aspectos individuales de dichas sub-etapas. Esto se hace con el fin de resumir y aclarar de mejor manera los criterios aplicados y no extender demasiado este capítulo; no quiere decir que no se realizaron, ya que, si se aplicaron estas fases, pero producto del límite de tiempo para el desarrollo del proyecto, se tiene que registrar la fase de diseño en general.
35
3.2 Diseño Conceptual y Preliminar 3.2.1
Requisitos de Rendimiento
A continuación, se exponen cada uno de los parámetros y requisitos que deberá tener el prototipo del MECAROV-X. 3.2.1.1 Maniobra: El prototipo debe tener 3 grados de libertad. Uno de ellos es el de inmersión-emersión el cual debe ser el más importante ya que se trata de un submarino. El segundo es el de Propulsión hacia adelante y hacia atrás. Y un tercer movimiento que es el de giro hacia la derecha y giro hacia la izquierda. 3.2.1.2 Profundidad: Debido a la dimensión del proyecto, siendo este de tipo educativo, y además aplicado solo para agua dulce, la profundidad máxima a la cual podrá sumergirse el prototipo se ha estimado en 3 metros. Las pruebas se planean realizar en la piscina del campus de la Universidad de Pamplona, sede Villa del Rosario. 3.2.1.3 Rango: El rango de alcance entre el prototipo y el centro de control se ha estimado en un máximo de 10 metros y está también limitado por la dimensión del proyecto, y por el lugar en el que se pretende realizar las pruebas. 3.2.1.4 Velocidad: La velocidad que se ha planteado es de 10 cm/s que puede estar sujeta a cambios dependiendo de los motores seleccionados. 3.2.1.5 Peso: Para este aspecto se debe tener claro que es imposible determinar en este punto del proceso de diseño, ya que, si bien se puede hacer una estimación, no se podrá determinar de manera exacta, solo hasta cuando los materiales y componentes que hacen parte del prototipo sean adquiridos y así cuantificar el peso total. Como medida de referencia el peso máximo aproximado es de 5 kg. 3.2.1.6 Sistema de Video: Llegado al caso cumpliendo con los parámetros principales del submarino se verá la opción de que el prototipo cuente con una cámara en el interior del casco principal, la cual debe tener una visión frontal más o menos amplia donde se puedan captar imágenes en tiempo real y ser visualizadas en el monitor del centro de control. 3.2.1.7 Sensores y Medidas de Seguridad: Entre las medidas de seguridad se quiere que el prototipo tenga: Un sensor de humedad para alarmar sobre cualquier filtración que pueda ocurrir dentro del casco principal. Un sensor de temperatura que permita monitorear constantemente los componentes susceptibles a recalentamiento. Un sensor de humo que permita generar una alarma en caso de que se presenten cortos circuitos internamente y se llegue a producir por algún motivo pequeñas emisiones de fuego. Un sensor de corriente que permita visualizar el consumo de cada motor y así tener diagnósticos del comportamiento de éstos.
36
Un sensor de presión que permita determinar la profundidad a la que se encuentra el prototipo en función de la presión medida. Un sensor de presencia que permita detectar algún objeto que pase por enfrente del prototipo o detectar obstáculos en caso de que la cámara falle, y no se tenga una visión clara.
3.2.2
Disposición de los Elementos
Para la disposición de los elementos se va a considerar las partes que conforman la estructura del submarino, así como los materiales con los que será construido. Se pueden definir las siguientes partes: Estructura o Casco Principal Estructura Externa para alojamiento de motores, luces, sensores, y lastre. Cúpula frontal para visualización de la cámara. 3.2.2.1 Estructura Principal La estructura o casco principal se ha determinado que sea de forma cilíndrica en donde irán todos los componentes electrónicos. A demás deberá contar con una estructura exterior que permita el alojamiento de los motores, luces, sensores, y lastres. Y deberá tener una cúpula o semiesfera transparente en la parte frontal para permitir la visión a través de la cámara. Este casco debe ser resistente y tener la facilidad de poder acceder al interior y a la vez tener una buena hermeticidad impidiendo el paso del agua, y manteniendo la integridad de todos los componentes que irán en su interior. Se realizó la evaluación de diferentes materiales disponibles en el mercado y de sus características principales, ventajas y desventajas, las que cumplen con las predefinidas para la estructura principal. Es importante recordar que el material debe ser de bajo costo, debido al escaso presupuesto con el que se cuenta, y también a que se trata de un prototipo experimental y educativo. Se presenta a continuación los materiales evaluados y el que fue elegido para nuestro prototipo. A. Material Acrílico
Figura 30: Material Acrílico
37
Es un termoplástico rígido excepcionalmente transparente (Figura 30). En su estado natural es incoloro, pero se puede pigmentar para obtener una infinidad de colores. Este material es inerte a muchas sustancias corrosivas. Su resistencia a la intemperie hace que sea el material idóneo para una variedad de aplicaciones. Si hablamos de aplicaciones, este material tiene diversidad de aplicaciones, las más comunes como Rótulos y anuncios, pantallas de protección, protectores de seguridad para maquinaria, cunas, incubadoras, cubiertas, etc. Las ventajas de este material son su alta durabilidad, su rigidez, su facilidad de trabajar y su bajo costo. Se presenta como una de las opciones para la estructura del prototipo. Pero sin embargo tiene una desventaja importante a la hora de cumplir con el requisito del casco principal, que debe ser cilíndrico lo cual dificulta en cierto modo la construcción en acrílico. Si bien existen cilindros en acrílico, sería algo complicado garantizar que las uniones de las tapas en cada extremo sean resistentes y a su vez tener una tapa movible para permitir el acceso al interior (¿Qué es el Acrílico?, 2016). B. Material Fibra de Vidrio
Figura 31: Material Fibra de Vidrio
La fibra de vidrio es una fibra mineral que consta de numerosos filamentos poliméricos basados en silice (SiO2) extremadamente finos (Figura 31). Se obtiene gracias a la intervención de ciertos hilos de vidrio muy pequeños o llamados filiformes. El proceso consiste en calentar vidrio y crear filamentos pequeños, normalmente se hace con vidrio borosilicato, que al entrelazarse van formando una malla, patrón o trama. Entre las ventajas de la fibra de vidrio de encuentran su bajo peso y su alta resistencia con ambientes corrosivos, suelos, agua salada, insumos químicos, no es contaminante, es versátil, soporta altas presiones, temperaturas y cargas. Este material es perfecto para la construcción del prototipo, pero sin embargo no se tiene el fácil acceso debido a los costos y a que en la industria local no se cuentan con talleres que hagan ese tipo de moldeos cilíndricos y demás formas específicas (Fibra de Vidrio, 2016).
38
C. Material Policloruro de Vinilo (Elegido)
Figura 32: Material Policloruro de Vinilo
El policloruro de vinilo o conocido con sus siglas como “PVC” (Figura 32) es un material esencialmente amorfo con porciones sindiotácticas que no constituyen más de 20% del total, y que, generalmente, cuenta con grados de cristalinidad menores. Es un polvo blanco, inodoro e insípido, fisiológicamente inofensivo. Tiene un contenido teórico de 57% de cloro, difícilmente inflamable, no arde por sí mismo. El diámetro varía dependiendo del proceso de polimerización. La gran polaridad que proporciona el átomo de cloro transforma al PVC en un material rígido. Tiene una gran versatilidad empleado para fabricar piezas o artículos de gran rigidez y accesorios para tuberías. Entre las ventajas de este material se destacan sus propiedades aislantes, resistencia a altas temperaturas, excelente durabilidad, facilidad de mecanizado, resistente a ambientes agresivos, abrasión, químicos, corrosión, golpes, fuerte y ligero, fuerza mecánica, bajo costo, versátil lo que permite diseños de alto grado de libertad, y además es reciclaje teniendo un punto a favor en lo ambiental. Este material no tiene desventajas notables que sean determinantes a la hora de utilizarlo como material base para la estructura, y por lo cual fue el elegido para el prototipo. Las ventajas que le brinda a la estructura son notables, por ser en su mayoría tubular o cilíndrico, permite obtener un casco con las especificaciones predefinidas, también da la facilidad para el sellamiento en la parte posterior pues se pueden usar las tapas roscadas o no roscadas disponibles en el mercado para este tipo de tubo de PVC. Otra importante ventaja es que para la estructura exterior que llevará alojados los motores, luces, sensores y lastre, permite la configuración de distintos tubos de diámetro variable para conformar esta importante estructura que irá fijada al casco principal. Las uniones serán pegadas con una soldadura especial para PVC que garantice la hermeticidad y la rigidez en las uniones.
39
Para la zona frontal se instalará una semiesfera cuyo material se ha elegido el acrílico por ser transparente, resistente y se estima bajo costo, esta semiesfera o cúpula irá fijada al casco principal a través de una anilla perforada del mismo diámetro, que permita ajustar la cúpula de acrílico con el casco principal a través de tornillos, arandelas y tuercas, así como un empaque de caucho entre la anilla y él tuvo PVC para garantizar la hermeticidad (¿Qué es el PVC?, 2016). 3.2.2.2 Componentes Externos Los elementos que irán en el exterior del casco son los siguientes: 2 propulsores verticales conformados por motor, hélice y tobera. 2 propulsores horizontales conformados por motor, hélice y tobera. 2 planos de profundidad (paletas o aletas) encargadas de la estabilidad longitudinal durante el movimiento de propulsión. 2 LED de 10W encargados del sistema de iluminación. Cordón umbilical para la transición de datos y energía. 3.2.2.3 Elementos Internos Los elementos que irán en el interior del casco estarán protegidos por una caja en acrílico, esto se decidió para darle mayor protección a los componentes electrónicos. Lo único que no irá dentro de esta caja es la cámara debido a su tamaño y a que su función la limita a estar en la parte frontal dentro de la cúpula delantera y también el sensor de presencia que irá junto a la cámara. A continuación, se presenta la lista de los componentes:
3.2.3
Arduino Mega con microcontrolador principal. Servo Motor encargado del movimiento de los planos de profundidad (aletas) Baterías para alimentación del Arduino. Sensor de Temperatura Sensor de Humedad Sensor de Presión Sensor de Humo Sensor de Corriente Protoboard para líneas de alimentación Puentes H Controladores de Motores. Cámara 1 sensor de presencia colocado en la parte frontal, encargado de la detección de obstáculos y objetos. Geometría
En esta sección se presentan las dimensiones de las partes que conforman al prototipo, sus volúmenes y el desplazamiento (agua desalojada) por los mismos, datos que serán necesarios más adelante en los cálculos para la inmersión y la propulsión.
40
3.2.3.1 Estructura Principal Casco principal: El casco principal es de tubo PVC con las siguientes dimensiones: Tabla 1: Casco Principal
Imagen Dimensión
Sistema Ingles (in)
Diámetro int Grosor Largo Volumen neto Volumen desalojado
6 in 0,12 in 13,5 in 29,92 in^3 381,70 in^3
Sistema Internacional (mm) 152,4 mm 3 mm 342,9 mm 482824,4 mm^3 6254999,8 mm^3
Cúpula frontal de acrílico: Tabla 2: Cúpula Frontal de Acrílico
Imagen Dimensión
Sistema Ingles (in)
Diámetro Grosor Volumen neto Volumen desalojado
6 in 0,12 in 4,77 in^3 56,55 in^3
Sistema Internacional (mm) 152,4 mm 3 mm 78166,29 mm^3 926688,47 mm^3
Tapa posterior en PVC: Tabla 3: Tapa Posterior
Imagen Dimensión
Diámetro int Grosor Volumen neto
Sistema Ingles (in) 6 in 0,24 in 13,21 in^3
Sistema Internacional (mm) 152,4 mm 6 mm 216473,11 mm^3
41
3.2.3.2 Estructuras Externas Protector para Motores en tubo PVC con tapa: Tabla 4: Protector para Motores en tubo PVC con tapa
Imagen Dimensión
Diámetro int Grosor Largo Volumen neto Volumen desalojado
Sistema Ingles (in) 2 in 0,12 in 3 in 1,13 in^3 10,59 in^3
Sistema Internacional (mm) 50,8 mm 3 mm 76,2 mm 18517,38 mm^3 173533,77 mm^3
Tobera para Hélices: Tabla 5: Tobera para Hélices
Dimensión
Diámetro int Grosor Largo Volumen neto Volumen desalojado
Sistema Ingles (in)
Sistema Internacional (mm)
4 in 0,12 in 1,57 in 1,21 in^3 Despreciable
101,6 mm 3 mm 39,88 mm 19828,35 mm^3 Despreciable
Imagen
Eslabones de Conexión de los motores al casco principal (PVC): Tabla 6: Eslabones de Conexión de los motores al casco principal (PVC)
Imagen Dimensión
Diámetro int Grosor Largo Volumen neto Volumen desalojado
Sistema Ingles (in)
Sistema Internacional (mm)
0,75 in 0,12 in 3 in 0,46 in^3 1,78 in^3
19,05 mm 3 mm 76,2 mm 7538,05 mm^3 29224,75 mm^3
42
Eslabones Transversales para la base del prototipo (PVC): Tabla 7: Eslabones Transversales para la base del prototipo (PVC)
Imagen Dimensión
Diámetro int Grosor Largo Volumen neto Volumen desalojado
Sistema Ingles (in)
1 in 0,12 in 3 in 0,6 in^3 2,95 in^3
Sistema Internacional (mm) 25,4 mm 3 mm 76,2 mm 9832,24 mm^3 48433,77 mm^3
Eslabones longitudinales para la base del prototipo (PVC) con tapas: Tabla 8: Eslabones longitudinales para la base del prototipo (PVC) con tapas
Imagen Dimensión
Diámetro int Grosor Largo Volumen neto Volumen desalojado
Sistema Ingles (in) 1 in 0,12 in 13,5 in 2,7 in^3 13,3 in^3
Sistema Internacional (mm) 25,4 mm 3 mm 342,9 mm 44245,07 mm^3 217951,00 mm^3
Uniones en forma de T para la base del prototipo (PVC): Tabla 9: Uniones en forma de T para la base del prototipo (PVC)
Imagen Dimensión
Diámetro int Grosor Largo Volumen neto Volumen desalojado
Sistema Ingles (in) 1,12 in 0,12 in 3,3 in 0,93 in^3 3,98 in^3
Sistema Internacional (mm) 28,44 mm 3 mm 83,82 mm 15239,97 mm^3 65305,28 mm^3
43
Eslabón de sujeción y sujeción para LED’s (PVC) con tapa: Tabla 10: Eslabón de sujeción y sujeción para LEDs (PVC) con tapa
Imagen Dimensión
Diámetro int Grosor Largo Volumen neto Volumen desalojado
Sistema Ingles (in)
1 in 0,12 in 2,36 in 1,12 in^3 2,32 in^3
Sistema Internacional (mm) 24,5 mm 3 mm 59,94 mm 18353,51 mm^3 38101,24 mm^3
Planos de Profundidad (aletas de estabilidad) en Acrílico: Tabla 11: Aletas de Estabilidad
Imagen Dimensión
Ancho Grosor Largo Volumen neto Volumen desalojado
Sistema Ingles (in) 2,36 in 0,35 in 3,16 in 2,36 in^3 2,61 in^3
Sistema Internacional (mm) 59,94 mm 8,9 mm 80,26 mm 38673,47 mm^3 42772,86 mm^3
Manija de agarre Acero Inoxidable Tabla 12: Manija de Agarre de Acero Inoxidable
Imagen Dimensión
Sistema Ingles (in)
Diámetro Tubular Altura Largo Volumen neto
0,47 in
11,94 mm
1,45 in 3,78 in 0,81 in^3 0,84 in^3
36,83 mm 96,01 mm 13273,52 mm^3
Volumen desalojado
Sistema Internacional (mm)
13765,13 mm^3
44
3.2.3.3 Estructuras Internas Caja Interna en Acrílico: Tabla 13: Caja Interna en Acrílico
Imagen Dimensión
Sistema Ingles (in)
Sistema Internacional (mm)
Ancho Altura Largo Grosor Volumen neto
3,94 in 3,35 in 5,91 in 0,12 in 13,23 in^3
100,07 mm 85,09 mm 150,11 mm 3 mm 216800,85 mm^3
Eje direccional con sujetador de las aletas estabilizadoras: Tabla 14: Eje direccional con el sujetador de las aletas estabilizadoras
Imagen Dimensión
Diámetro Largo Volumen neto
Sistema Ingles (in)
Sistema Internacional (mm)
0,24 in 8,37 in 0,61 in^3
6,09 mm 212,6 mm 9996,12 mm^3
3.2.3.4 Volumen Desplazado El volumen desplazado es el valor del peso del volumen de agua desplazada por la estructura del submarino. Este valor es muy importante para los cálculos de flotabilidad, inmersión y propulsión del prototipo que se realizaran más adelante en las secciones correspondientes.
45
3.2.4
Sistema de Propulsión e Inmersión
3.2.4.1 Sistema de Propulsión para el ROV. Para la selección del sistema de propulsión para el ROV se realizan primero las consideraciones teóricas, de los fenómenos físicos relacionados con el avance del submarino en el agua y los cálculos necesarios para determinar el efecto de dichos fenómenos, que son vitales en el desplazamiento del robot submarino.
3.2.4.2 Calculo de la Fuerza de Arrastre: En el Marco teórico se mencionaron los conceptos relacionados con la Fuerza de Arrastre que un fluido le aplica a un cuerpo que se encuentra inmerso en él. Para que exista esta fuerza debe haber movimiento relativo entre el fluido y el cuerpo. Siendo en este caso específico el movimiento del prototipo submarino en el agua dulce. Se retoma entonces la expresión matemática que permite calcular la Fuerza de Arrastre del agua. 𝐹𝐷 =
1 . 𝜌. 𝑉 2 . 𝐴. 𝐶𝐷 2
Donde:
𝜌 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎. 𝑉 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 (𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑡𝑖𝑝𝑜) 𝐴 = á𝑟𝑒𝑎 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 (𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑎𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜) 𝐶𝐷 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑟𝑎𝑠𝑡𝑟𝑒
Para el cálculo del coeficiente de arrastre es necesario recurrir a tablas que proporcionan los coeficientes de arrastre para varios cuerpos bidimensionales y tridimensionales, para números de Reynolds altos. Estas tablas son tomadas del libro de Mecánica de Fluidos Fundamentos del autor Yunus A. Cengel y John M. Cimbala, en el capítulo 11 Flujo sobre Cuerpos: Arrastre y Sustentación. Sin embargo estos coeficientes son para números de Reynolds mayores a 104 . Por lo cual se verifica que este valor se cumpla para el prototipo. 𝑅𝐸 =
𝑉. 𝐿 𝑣
Donde: V= velocidad del flujo o del cuerpo. L= longitud del prototipo 𝑣 =viscosidad cinemática del agua. 𝑚
Para el prototipo se ha propuesto una velocidad de 0,1 𝑠 (que puede estar sujeta a cambios dependiendo de los motores), una longitud total de 420,6 𝑚𝑚 y la viscosidad 2 cinemática del agua a 25°C de 𝑣 = 0,893 𝑥10−6 𝑚 ⁄𝑠. Se obtiene entonces:
46
420,6 𝑉. 𝐿 (0,1). ( 1000 ) 𝑅𝐸 = = = 47099,66 𝑣 0,893 𝑥10−6 Con lo cual se comprueba que 𝑅𝐸 = 47099,66 > 104 y se puede recurrir a los datos de las tablas de Coeficientes de arrastre. Las partes de la estructura del prototipo que serán analizadas son: Cuerpo o Casco principal, motores verticales, motores horizontales, toberas de motores verticales y eslabones verticales de la base. Son estudiadas ya que son las que se generan una resistencia considerable al movimiento con respecto al agua. Se calcularan sus coeficientes de arrastre independientes y sus áreas frontales al flujo del agua. Para el Cuerpo Principal y los motores Horizontales se usa la tabla de la figura 33, para Cilindros cortos horizontales:
Figura 33: Coeficientes de arrastre para Cilindros Cortos Horizontales
Cuerpo Principal:
Figura 34: Dimensiones Cuerpo Principal del Prototipo
Para el cuerpo principal se omite la semiesfera frontal ya que se quiere modelar los cálculos en los peores casos de arrastre, siendo cuando la superficie normal al flujo del agua
47
sea plana y no semiesférica. Las dimensiones se pueden observar en la Figura 34. Se realiza el cálculo para la relación L/D. 𝐿⁄ = 342,9 𝑚𝑚 = 2,25 𝐷 152,4 𝑚𝑚 Con este valor se busca en la tabla un valor para 𝐿⁄𝐷 = 2,25 el cual al no estar especificado, se realiza la interpolación entre los valores de 𝐿⁄𝐷 = 2 𝑦 4. Debido a que entre estos dos valores se mantiene constante el 𝐶𝐷 se obtiene que: 𝐶𝐷(𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙) = 0,9 Para el Área frontal al flujo se tiene: 𝐴(𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙)
𝜋 2 𝜋 155,4𝑚𝑚 2 = 𝐷 = ( ) = 18,97𝑥103 𝑚2 4 4 1000
Cubierta Motores Horizontales:
Figura 35: Dimensiones Cubierta Motores Horizontales
En la figura 35 se observa la cubierta que llevarán los motores horizontales para su hermetización. Por lo tanto esta será la superficie que se va a oponer al flujo de agua. Lleva una tapa en uno de sus extremos, que es de igual diámetro Los cálculos se exponen a continuación. 𝐿⁄ = 76,20 𝑚𝑚 = 1,41 𝐷 53,85 𝑚𝑚 Con este valor se busca en la tabla un valor para 𝐿⁄𝐷 = 1,41 el cual al no estar especificado, se realiza la interpolación entre los valores de 𝐿⁄𝐷 = 1 𝑦 2. Debido a que entre estos dos valores se mantiene constante el 𝐶𝐷 se obtiene que: 𝐶𝐷(𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙) = 0,9
48
Para el Área frontal al flujo se tiene: 𝐴(𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙) =
𝜋 2 𝜋 53,85𝑚𝑚 2 𝐷 = ( ) = 2,28𝑥103 𝑚2 4 4 1000
Para para los motores verticales, tobera de los motores verticales y los eslabones verticales de la base se usa la tabla de la figura 36, para Cilindros cortos verticales:
Figura 36: Coeficientes de arrastre Cilindros Cortos Verticales
Cubierta motores verticales:
Figura 37: Dimensiones Cubierta motores verticales
En la figura 37 se observa la cubierta que llevarán los motores verticales para su hermetización. Por lo tanto esta será la superficie que se va a oponer al flujo de agua. Los cálculos se exponen a continuación: 𝐿⁄ = 76,20 𝑚𝑚 = 1,41 𝐷 53,85 𝑚𝑚 Por interpolación con los datos para 𝐿⁄𝐷 = 1 𝑦 2 de la tabla se obtiene: 𝑦(1,41) = 𝐴 + 𝐵𝑥 = 0,5 + 0,1𝑥 = 0,5 + 0,1(1,41) = 0,641
49
𝐶𝐷(𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙) = 0,641 Para el Área se tiene que es A=L.D debido a que es ésta la parte frontal al flujo del agua. 𝐴(𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙) = 𝐿. 𝐷 =
(53,85𝑚𝑚)(76,2𝑚𝑚) = 4,10 𝑥103 𝑚2 (1000)2
Tobera motores verticales:
Figura 38: Dimensiones Tobera motores verticales
En la figura 38 se observa la tobera que llevarán las hélices en los propulsores verticales. El área resaltada en azul es la que estará oponiéndose al flujo del agua. Los cálculos para ésta son los siguientes: 𝐿⁄ = 40 𝑚𝑚 = 0,38 𝐷 104,65 𝑚𝑚 Por interpolación con los datos para 𝐿⁄𝐷 = 0 𝑦 1 de la tabla se obtiene: 𝑦(0,38) = 𝐴 + 𝐵𝑥 = 0 + 0,6𝑥 = 0,6(0,38) = 0,23 𝐶𝐷(𝑡𝑜𝑏𝑒𝑟𝑎) = 0,23 Para el Área se tiene que es A=L.D debido a que es ésta la parte frontal al flujo del agua. 𝐴(𝑡𝑜𝑏𝑒𝑟𝑎) = 𝐿. 𝐷 =
(104,65𝑚𝑚)(40𝑚𝑚) = 4,186 𝑥103 𝑚2 (1000)2
Eslabones verticales de la base:
Figura 39: Dimensiones eslabones verticales de la base
50
En la figura 39 se observa uno de los eslabones verticales de la base. El área resaltada en azul es la que estará oponiéndose al flujo del agua. Los cálculos para ésta son los siguientes: 𝐿⁄ = 76,2 𝑚𝑚 = 2,68 𝐷 28,45 𝑚𝑚 Por interpolación con los datos para 𝐿⁄𝐷 = 2 𝑦 5 de la tabla se obtiene: 𝑦(2,68) = 𝐴 + 𝐵𝑥 = 0,63 + 0,033𝑥 = 0,63 + 0,033(2,68) = 0,72 𝐶𝐷(𝑒𝑠𝑙𝑎𝑏𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑏𝑎𝑠𝑒) = 0,72 Para el Área se tiene que es A=L.D debido a que es ésta la parte frontal al flujo del agua. 𝐴(𝑒𝑠𝑙𝑎𝑏𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙𝑒𝑠) = 𝐿. 𝐷 =
(28.45𝑚𝑚)(76,27𝑚𝑚) = 2,17 𝑥103 𝑚2 (1000)2
Figura 40: Superficies Analizadas en el cálculo del arrastre
En la figura 40 se observan las superficies resaltadas en azul, que son las que se oponen al flujo del agua que fueron analizadas y calculados sus parámetros para la Fuerza de arrastre. Las demás superficies como las extremidades para los leds, las aletas de profundidad, la manija de agarre y la tobera de los motores horizontales, son despreciadas ya que no generan un coeficiente de arrastre considerable al prototipo. Se calculan ahora el 𝐶𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 y el 𝐴𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 del prototipo teniendo en cuenta la cantidad de partes que se repiten. 𝑪𝑻𝑶𝑻𝑨𝑳 = 𝐶𝐷(𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙) + 2𝐶𝐷(𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑣𝑒𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙) + 2𝐶𝐷(𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙) + 2𝐶𝐷(𝑡𝑜𝑏𝑒𝑟𝑎 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 + 2𝐶𝐷(𝑒𝑠𝑙𝑎𝑏𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑏𝑎𝑠𝑒)
51
𝑪𝑻𝑶𝑻𝑨𝑳 = 0,9 + 2(0,64) + 2(0,9) + 2(0,23) + 2(0,7) 𝑪𝑻𝑶𝑻𝑨𝑳 = 𝟓, 𝟖𝟒 𝑨𝑻𝑶𝑻𝑨𝑳 = 𝐴(𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙) + 2𝐴(𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑣𝑒𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙) + 2𝐴(𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙) + 2𝐴(𝑡𝑜𝑏𝑒𝑟𝑎 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 + 2𝐴(𝑒𝑠𝑙𝑎𝑏𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑏𝑎𝑠𝑒) 𝑨𝑻𝑶𝑻𝑨𝑳 = (18,97𝑥103 𝑚2 ) + 2(4,10 𝑥103 𝑚2 ) + 2(2,28𝑥103 𝑚2 ) + 2(4,186 𝑥103 𝑚2 ) + 2(2,17 𝑥103 𝑚2 ) 𝑨𝑻𝑶𝑻𝑨𝑳 = 𝟓𝟔, 𝟐𝟓 𝒙𝟏𝟎𝟑 𝒎𝟐 Ahora para la Fuerza de Arrastre se tiene: 1 1 𝑘𝑔 𝑚 2 𝑭𝑫 = . 𝜌. 𝑉 2 . 𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 . 𝐶𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = (1000 3 ) (0,1 ) (56,25𝑥103 𝑚2 )(5,84) 2 2 𝑚 𝑠 𝑭𝑫 = 𝟏, 𝟔𝟒𝟐𝟓 𝑵 𝑭𝑫 = 𝟎, 𝟏𝟔𝟕𝟒𝟗 𝒌𝒈. 𝒇 Este es el valor total del arrastre o resistencia que el agua le hace al cuerpo para poder moverse en este medio. Por lo cual los propulsores deberán superar dicha fuerza de arrastre convertida en fuerza de empuje para poder darle movimiento al prototipo. Como calculo básico de la potencia necesaria se tiene: 𝑷𝒏𝒆𝒄𝒆𝒔𝒂𝒓𝒊𝒂 = 𝑭. 𝑽 = (1,6425 𝑁) (0,1
𝑚 ) 𝑠
𝑷𝒏𝒆𝒄𝒆𝒔𝒂𝒓𝒊𝒂 = 𝟏𝟔𝟒, 𝟐𝟓 𝒎𝑾 Sistema de Inmersión para el ROV. Para la selección del sistema de inmersión para el ROV se realizan primero las consideraciones teóricas de los fenómenos físicos relacionados con la flotabilidad del prototipo en el agua y los cálculos necesarios para determinar el efecto de dichos fenómenos. Calculo de la Fuerza de Flotabilidad: En el Marco teórico se mencionaron los conceptos relacionados con la Fuerza de Flotación o empuje que experimenta un cuerpo sumergido en un fluido. Este empuje viene determinado por: 𝐸𝑀𝑃𝑈𝐽𝐸 = 𝐹𝐵 = 𝐸 = 𝜌. 𝑔. 𝑉 Siendo: 𝑚 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 𝑔 = 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 𝜌 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑠 𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 𝑉 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑎𝑙𝑜𝑗𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜
52
Es importante conocer el valor de esta fuerza para poder establecer el grado de flotabilidad en el que se encuentra el prototipo dependiendo del peso de la masa del mismo. Ya que existe una relación entre el peso del prototipo y la fuerza de empuje del agua. La relación es producto de la ecuación de equilibrio del cuerpo sumergido (el prototipo en este caso): Σ𝐹𝑦 = 𝐹𝐵 − 𝑊𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑡𝑖𝑝𝑜 Para el cálculo de 𝐹𝐵 se recurre a la sumatoria de los volúmenes desalojados por cada parte del prototipo establecidos en la tabla 15. Tabla 15: Volúmenes desplazados por cada estructura
Casco Principal Cúpula frontal de acrílico
1 1
482824,4 mm^3 78166,29 mm^3
6254999,8 mm^3 926688,47 mm^3
Volumen Desalojado Total*Partes 6254999,8 mm^3 926688,47 mm^3
Protector Motores Eslabones de Conexiones Motores-Casco Principal Eslabones Transversales de la Base Eslabones Longitudinales de la Base Uniones T de la base Eslabón de Sujeción de los LED Planos de Profundidad Manija de Agarre TOTAL
4 4
18517,38 mm^3 7538,05 mm^3
173533,77 mm^3 29224,75 mm^3
694135,08 mm^3 116899 mm^3
4
9832,24 mm^3
48433,77 mm^3
39328,96 mm^3
2
44245,07 mm^3
217951,00 mm^3
435902 mm^3
4 2
15239,97 mm^3 18353,51 mm^3
65305,28 mm^3 38101,24 mm^3
261221,12 mm^3 76202,48 mm^3
2 1
38673,47 mm^3 13273,52 mm^3 726663,9 mm^3
42772,86 mm^3 13765,13 mm^3 7810776,0 mm^3
85545,72 mm^3 13765,13 mm^3 8904687,7 mm^3
Parte
Cant.
Volumen Neto
Volumen Desalojado
Con un volumen desplazado total de: Volumen desalojado: 8904687,7 mm^3 8,9046877 𝑥10−3 m^3 8,904687 L El peso del volumen desalojado (𝐹𝐵 ) es: 𝑘𝑔 𝑚 ) (9,81 2 ) (8,9046877 𝑥10−3 m3 ) 3 𝑚 𝑠 𝒎 𝑭𝑩 = 𝟖𝟕, 𝟑𝟓 𝒌𝒈 𝟐 𝒔
𝐹𝐵 = 𝜌. 𝑔. 𝑉 = (1000
𝑭𝑩 = 𝟖, 𝟗𝟎𝟒𝟏 𝒌𝒈. 𝒇
53
Ahora para el cálculo del peso del prototipo se recurre a los valores arrojados por el software CAD SolidWorks ya que en esta etapa del diseño no contamos ni con la estructura física ni con los componentes que conforman el prototipo por lo cual no se podrá conocer este valor real. El software arrojó un valor de: 𝑾𝒑𝒓𝒐𝒕𝒐𝒕𝒊𝒑𝒐 = 3251,37 𝑔𝑟 = 3,251 𝑘𝑔 Al aplicar la ecuación de equilibrio se obtiene: Σ𝐹𝑦 = 𝐹𝐵 − 𝑊𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑡𝑖𝑝𝑜 = 87,35 𝑁 − (𝑚𝑎𝑠𝑎)(𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑) Σ𝐹𝑦 = 87,35 𝑁 − (3,251 𝑘𝑔)(9,81 𝑚/𝑠 2 ) Σ𝐹𝑦 = ∆𝐹 = 87,35 𝑁 − 31,89 𝑁 ∆𝑭 = 55,46 𝑁 = 5,65 𝑘𝑔. 𝑓 Este ∆𝑭 = 𝟓, 𝟔𝟓 𝒌𝒈𝒇 es la diferencia entre el peso del prototipo y la fuerza de empuje del agua. Como se puede notar la fuerza de empuje 𝐹𝐵 es mucho mayor que el peso 𝑊𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑡𝑖𝑝𝑜 lo cual indica que se tiene una flotabilidad positiva, es decir el prototipo submarino estará flotando en la superficie del agua. Este valor de la diferencia de Fuerzas es con lo que hay que jugar, es decir, lograr que la diferencia se haga casi cero para poder obtener una flotabilidad entre neutra y positiva, que garantice que el proceso de inmersión no demande tanta potencia de propulsión hacia abajo (profundidad) de los motores. Hay que aumentar el peso del prototipo, para esto se ha planeado usar barras de acero que tengan el peso requerido, aproximadamente 5 kg para que así se logre cubrir con casi el 90% de la diferencia de fuerzas ∆𝑭 = 𝟓, 𝟔𝟓𝒌𝒈𝒇 quedando un 10% = 0,565 kg.f a cargo de la fuerza de empuje que generen los motores encargados de la inmersión del prototipo. En cuanto al centro de masa del prototipo, es un parámetro vital para la estabilidad del mismo. En la figura 41 se observa el cálculo hecho en SolidWorks de esta coordenada:
Figura 41: Centro de gravedad en Modelo CAD
54
Como se puede observar el centro de masa se encuentra muy elevado con respecto a la parte inferior. Esto se debe a que en el modelo CAD solo se encuentran los componentes principales y la estructura, pero no cuenta con las barras de acero para aumentar el peso. Se estima que con este peso adicional el centro de masa debe bajar con respecto al eje central. Lo ideal es que el centro de masa esté más bajo que el centro de flotabilidad que es el centroide del volumen desalojado donde se aplica la fuerza de empuje. Esto garantiza una estabilidad rotacional sobre el eje del prototipo, que frente a cualquier perturbación rotacional del cuerpo se produce un momento de restitución que lo regresa a la posición estable. Esto solo se consigue cuando el fondo es pesado. Este análisis no se realizará sino hasta cuando se tenga claridad del peso real del prototipo y su correspondiente ubicación.
3.2.4.3 Consideraciones: Debido a que en distintas fuentes no se encuentre un mensaje claro si los motores a utilizar deben ser de alto torque o altas revoluciones se ha recurrido a realizar pruebas bajo el agua de motores con estas dos características, lo que si queda claro en ambos es que cumplan la potencia requerida para mover el sumergible. Las pruebas se realizadas con el motor de alto torque y bajas RPM no fueron muy convincente pues era poco lo apreciable entre la relación velocidad/empuje que generaba. Se usó por lo tanto un motor de altas revoluciones que, a pesar de bajar su velocidad bajo el agua, la nominal obtenida cumplía con los requisitos (obtener una buena velocidad y responder rápidamente a las órdenes). Cabe destacar que un factor muy importante es el diseño de las hélices donde se llegó a la conclusión de que una aleta de gran superficie de contacto contra el agua requería un buen torque para “paletear” el agua, es aquí donde entra el motor de alto torque y es usado sobre todo para mover cargas pesadas a una velocidad no tan elevada. En este caso como se trata de un ROV de exploración no llevará tanta carga, pero sí se necesita que sus motores lo empujen a una velocidad considerable y sean de reacción rápida bajo el agua para cambios de dirección, por ejemplo. 3.2.4.4 Selección de los Motores: A. Motor Dwt6500
Figura 42: Motor Dwt6500
55
Motor sin escobillas DC (Figura 42), ideal para utilizar como propulsor de ROVS. Estos motores están acoplados magnéticamente y no hay ejes de conexión, lo que hace de una alta fiabilidad. Este motor mide 218.6x189.92 con un peso de 1.9 kg, con una fuerza de empuje de 17.5 KgF, funciona con una potencia de entrada de 2.3 A / 48 Voltios a 1000 rpm. Este es el motor ideal para el sistema de impulsión del submarino, pero debido a varios puntos en contra, como lo es que no se encuentra en el país, como lo es el alto precio, no podemos utilizar este motor, el cual sería el IDEAL para adaptar al prototipo. B. Motor Brushless A2212/13t 1000 KV
Figura 43: Motor Brushless A2212/13t 1000 KV
Motor DC de 1000 KV (Figura 43), con una eficiencia del 80 %, su máxima eficiencia de corriente esta entre 4-10 Amperios. Máxima capacidad de corriente 12 Amperios-60 segundos. Posee unas dimensiones de 27.5 x 30 mm, con un eje de diámetro 3.17 mm y un peso de 47 gramos. Estos motores a pesar de ser también ideales para el prototipo en comparación con otros en el mercado, son de alto costo y debido al bajo presupuesto con el que se cuenta, no podemos acceder a ellos, y quedamos obligados a seleccionar otro tipo de motor más económico. C. Motor HTI Dc Htbrr04206705b – 0001 5kg-Cm 500 Rpm
Figura 44: Motor HTI DC Htbrr04206705b
56
Motor marca HTI, DC de 12 V con salida de 12.000 revoluciones por minuto, 30 Watts nominal (Figura 44). Este motor posee ventilador de refrigeración interno. El tamaño de este motor es de 107 mm x 33.5 mm con un diámetro de 107.95 mm x 43.18mm. El eje tiene un diámetro de 7 mm. Con un peso total de 600 g.
Este motor es el que mejor relación precio/eficiencia tiene para el prototipo, y fue el seleccionado. Se adquirió uno de estos motores para realizar pruebas de eficiencia que demostraran que es el que mejor se adapta a la necesidad. En las pruebas se obtuvieron excelentes resultados. Se pudo observar gran empuje del agua y un consumo que pasó de los 30W nominal a los 96W en su trabajo forzado, mostrando altas revoluciones por minuto y un buen torque generado. Además, al poseer buenas dimensiones, un fácil manejo comparándolos con los Brushless. Por tanto, los cuatro motores para los 4 propulsores serán de este mismo modelo (dos para sumergir y emerger y dos para los movimientos de desplazamientos cardinales).
3.2.4.5 Selección de las Hélices: Otro factor importante es el diseño de las hélices, pues va de la mano con el motor, en este aspecto se evalúa sobre todo el taño, dobles y cantidad de aspas.
Figura 45: Hélice cuatro aspas
Este primer modelo es el ideal, el diseño de las aspas que conforma esta hélice (Figura 45) están especialmente diseñadas para mover un gran volumen de agua y por ende brindar un gran empuje, esto gracias a su diseño curvo y su amplia área de contacto.
Figura 46: Hélice dos aspas
57
Sin embargo, este tipo de hélice necesita un motor de buen torque una buena velocidad, que visto anteriormente estos son costosos y difíciles de conseguir (como el Motor Dwt6500). Esta segunda opción es una hélice de dos aspas (Figura 46) aerodinámica diseñada especialmente para aeromodelismo, en estas se necesita un motor de altas revoluciones pues su diseño de dos aspas delgadas e inclinadas cumplen con la función de mover el aire de su entorno a la dirección deseada, debido a que la densidad del aire es tan baja es por ello que se le deben aplicar altas RPM y su área es pequeña pero aerodinámica debido a que se necesitan que sean lo más liviano posible.
Figura 47: Hélice tres aspas
Esta vendría siendo la peor opción pues trata de una hélice de poca área de contacto (Figura 47) y es casi recta por lo que no será capaz de manejar el agua en forma apropiada. Este es el diseño de hélice escogido (Figura 48), pues combina una curvatura no tan inclinada permitiendo poco torque para mover el agua, pero a su vez posee 5 aspas con buena área de contacto para manejar mejor el agua, afortunadamente este diseño escogido si se consigue en el mercado a un precio muy accesible, trata además de una hélice de plástico por lo que es liviana.
Figura 48: Hélice cinco aspas
58
3.2.5
Sistema Eléctrico
Para poder seleccionar la fuente de alimentación correcta se debe tener en cuenta la suma de todos los consumos en las peores condiciones de trabajo y definir las características del cable umbilical que transportará la energía a bordo del prototipo. La tabla mostrada a continuación (Tabla 16) muestra cada uno de estos consumos de cada sensor, luces y motores que llevará el submarino y la suma total de la potencia requerida para la fuente de alimentación. Tabla 16: Consumo eléctrico del prototipo
COMPONENTES CONSUMO UNIDADES CONSUMO VOLTAJE POTENCIA DE (A) (V) (W) UNIDAD (A) PROPULSORES SERVOMOTOR LED’S ARDUINO CAMARA SENSORES
8 0.6 1.1 0.5 0.5 0.2
4 1 2 1 1 5
32 0.6 2.2 0.5 0.5 1
TOTAL
12 6 9 12 5 5
384 3.6 20 6 2.5 5
421.1 w
Viendo el gran consumo generado sobre todo por los motores, se hace necesario escoger una buena fuente de alimentación, ya sea varias baterías o fuentes externas.
3.2.5.1 Fuente de Alimentación A continuación, se presentan las distintas opciones para la fuente de energía del prototipo y se explica las ventajas y desventajas de cada una, eligiendo la más adecuada a las necesidades. A. Batería LiPo:
Figura 49: Batería LiPo
Las baterías LiPo (Litio y polímero) (Figura 49) son un tipo de batería recargable que suelen ser utilizadas para sistemas eléctricos. Las ventajas de esta batería es que son ligeras y se pueden hacer de casi cualquier forma y tamaño, también tienen gran capacidad lo que significa que tienen un montón de energía en un tamaño reducido, además de eso tiene una
59
tasa de descarga alta para alimentar los sistemas eléctricos más exigentes. Se quiere utilizar una batería de lipo que tenga 11.1 voltios a 5,2 amperios. Lo que se desea con este tipo de pila es alimentar los componentes electrónicos del submarino como lo es el arduino, motores, luminosidad, sistema de video.
B. Batería De Celda Seca
Figura 50: Batería De Celda Seca
Las baterías secas o de celda seca (Figura 50), es una batería con un conjunto de celdas electroquímicas unidas en serie. Estas pilas se caracterizan y se diferencian de otros tipos de baterías en que los electrolitos, cuya reacción genera la corriente eléctrica que suministra la batería, se incorporan en polvo o en una pasta de bajo contenido en líquido. Cuando una carga se conecta a los terminales de la pila tiene lugar una reacción química entre los electrolitos del ánodo y los electrolitos del cátodo produciendo una corriente de electrones. Se quiere utilizar una batería que tenga 12 voltios con 12 amperios Lo que se quiere con este tipo de batería es alimentar los componentes electrónicos del submarino, estas baterías no se pueden dejar descargar totalmente porque corren el riesgo de dañarse, pero debido a las pruebas nos hemos percatado de que el consumo de energía sería muy elevado y estas baterías no lo soportarían o por otro lado tocaría comprar varias
C. Fuente De Poder DC Es una fuente de energía que contiene un circuito eléctrico que convierte la electricidad de un voltaje de corriente alterna (Vac) a un voltaje de corriente directa (Vdc). Las fuentes de computador (Figura 51) son de alta eficiencia (Figura 42) ya que proveen varios voltajes fijos a través de conectores estándar como +5V – 14 A, +3.3V – 12 A, +5V – 2 A, +12v – 10 A y -12 V - 0.8 A. Debido al alto costo de las baterías anteriormente mencionadas, la alimentación utilizada será por medio de una fuente de poder AC-DC el cual nos proporciona el voltaje y amperaje perfecto para que nuestros motores e iluminación trabajen a la manera ideal, y así nuestro submarino funcione también de manera correcta.
60
En nuestro caso para evitar tener que comprar una de estas fuentes usaremos dos fuentes de 300w que están en desuso.
Figura 51: Fuente de Poder DC
3.2.5.2 Cable Umbilical En este aspecto es vital poner atención en el efecto que tienen las distancias en la transmisión de la energía eléctrica ya que en función de esto está determinada la caída de tensión que se pueda originar el llevar la Energía desde el puesto de control hasta el Prototipo. En los submarinos ROV profesionales esto es contrarrestado con elevadores de tensión dentro del prototipo para garantizar que las caídas de tensión, producto de la longitud del cable umbilical, sean mínimas y se dote de la tensión necesaria y constante a todos los sistemas del ROV (Tabla 17). Debido a la dimensión de nuestro proyecto, a su aplicación de tipo educativo y al presupuesto con el que se cuenta, es imposible tener este sistema en el prototipo. Tabla 17: Resistencia del cable AWG
61
Por esta razón es necesario tener en cuenta la caída de tensión que se pueda originar. Y así poder seleccionar el cable umbilical que mejor se adapte a las necesidades. Para la elección del cable umbilical se toma la referencia del consumo en corriente que tendrán todos los componentes del prototipo, que suma un total aproximado de 35 Amperios. Según este valor y guiándonos por la AWG (American Wire Gauge) Calibre de alambre estadounidense (Figura 52) que es una referencia de clasificación de diámetros de conductores eléctricos, y observando la tabla que proporcionan para conocer el diámetro y superficie de sección del conductor, así como la corriente admisible y la resistencia eléctrica del cobre de dicho conductor, se procede a seleccionar el calibre ideal para el cable umbilical de alimentación del prototipo.
Figura 52: Tipos de Cable AWG
Según el consumo total del prototipo 35 A le corresponde un cable de calibre 8 AWG el cual tiene un grosor considerablemente grueso. Lo que para la implementación en el prototipo causaría que el cable umbilical fuera muy grueso y pesado, lo que puede generar un mayor arrastre que demanda mayor potencia por los propulsores para impulsar tanto el submarino como el cable umbilical. Por ahora se tiene esa referencia para el calibre y se va a realizar un estudio de la posibilidad de utilizar cable numero 14 ya que tiene capacidad para 15 A viéndose la necesidad de usar 2 cables para la alimentación positiva y 1 para la alimentación de tierra. A estos cables se le suma el cable de datos para el microcontrolador y la cámara el cual será un cable UTP de 4 pares.
62
3.2.6
Sistema de Control y Navegación
3.2.6.1 Unidad Principal de Control
A. Arduino
Figura 53: Placa Arduino
Arduino es una plataforma de electrónica abierta para la creación de prototipos basada en software y hardware flexibles y fáciles de usar (Figura 53). La pueden usar desde artistas hasta aficionados y cualquier interesado en crear entornos u objetos interactivos. Estas placas pueden medir valores ambientales al recibir información de variedad de sensores y afectar sus alrededores controlando luces, motores y otros actuadores. Existen gran variedad de placas con distintas prestaciones que ofrecen al mercado. Poseen atributos variables de memoria, capacidad, cantidad de puertos, microcontrolador entre otros. Se seleccionó esta placa de desarrollo ya que es la que más nos satisface las necesidades para nuestro submarino, como también otro punto a favor es que todos los integrantes saben cómo programarla, y en el cual a ella se le pueden adicionar variedad de motores, motorreductores, sensores. Esta placa llevara la programación la cual le da la orden a los motores y resto de componentes del submarino para iniciar su funcionamiento cuando el mando lo decida. Esta placa se programará por medio de un sistema de desarrollo llamado LabVIEW el cual nos permite crear una interfaz hombre-máquina para su debido control y facilitar su entendimiento. B. Raspberry Pi
Figura 54: Placa Raspberry Pi
63
La Raspberry pi es una diminuta placa de 85 x 54 milímetros en el que se aloja un chip Broadcom BCM2835 con procesador ARM hasta 1 GHz de velocidad, GPU VideoCore IV y hasta 512 Mbytes de memoria RAM (Figura 54). Es una placa que soporta varios componentes necesarios en un ordenador común. Puede ser utilizado por muchas cosas que su pc de escritorio hace, como hojas de cálculo, procesadores de texto, juegos y también reproduce videos de alta definición. Solamente basta con añadir un medio de almacenamiento, enchufarlo a la corriente gracias a cualquier cargador de tipo microUSB. Esta placa está dedicada para hacer un pequeño sistema hibrido entre software y hardware junto, sin embargo, su limitado número de puertos especializados y falta de robustez (al ser sensibles a cambios de voltaje y amperaje drásticos) se a desasido el uso de esta tarje controladora.
3.2.6.2 Sistema de Comunicación A. Comunicación Por Xbee:
Figura 55: Xbee
Las Xbee son chips pequeños capaces de comunicarse de forma inalámbrica unos con otros (Figura 55). Los módulos Xbee son soluciones integradas que brindan un medio inalámbrico para la interconexión y comunicación entre dispositivos. Estos módulos utilizan el protocolo de red llamado IEEE 802.15.4 para crear redes FAST POINT-TOMULTIPOINT (punto a multipunto); o para redes PEER-TO-PEER (punto a punto). Estos chips fueron diseñados para aplicaciones que requieren de un alto tráfico de datos, baja latencia y una sincronización de comunicación predecible. Con esta comunicación se quiere conectar inalámbricamente las funciones de avance del submarino, y envió de datos sensoriales. Las Xbee serían programadas por serial, para una mayor velocidad de respuesta. Se realizaron pruebas de comunicación de estos Chips y se llegó a la conclusión, de que apenas se ingresa al agua el receptor de la Xbee pierde totalmente la cobertura, esto a una distancia de apenas 40cm de la Xbee emisora, por tanto, no es un medio de comunicación apto para el medio.
64
B. Comunicación por Radiofrecuencia:
Figura 56: Radio Frecuencia
Se le llama radio frecuencia al conjunto de frecuencias situado entre los rangos de 3 Hz a los 300 GHz, correspondiente a la parte menos energética del espectro electromagnético, se propaga de transmisor a receptor (Figura 56). Se entiende por frecuencia la magnitud que mide el número de veces que una señal se repite en una unidad de tiempo y su unidad es el Hz. Se dice que hay línea de vista (LOS) cuando no existen obstáculos entre transmisor y receptor en una ruta. Al no existir LOS, la transmisión es de tipo multiruta, los cuales en una transmisión de este tipo la señal sufre efectos como difracción, refracción, reflexión y dispersión. Estos efectos provocan que la comunicación entre transmisor y receptor se complete por diferentes trayectorias, ósea demora más en llegar la señal al receptor, y algunas veces no llegaría la señal al receptor. C. Comunicación por Bluetooth
Figura 57: Modulo Bluetooth
El modulo bluetooth (Figura 57) utiliza la técnica FHSS (Frecuency Hopping Spread Spectrum, en español “Espectro ensanchado por saltos de frecuencia”), que consiste en dividir la banda de frecuencia de 2.402 – 2.480 Ghz en 79 canales (denominados saltos) de 1Mhz de ancho cada uno y, después, transmitir la señal utilizando una secuencia de canales que sea conocida tanto para la estación emisora como para la receptora. Este modelo solo puede actuar como esclavo el emisor seria el bluetooth del computador.
65
Con esta comunicación se quiere enlazar con el bluetooth del computador portátil que sería el emisor y el módulo HC – 06 sería el receptor o esclavo, al estar conectados se mandan señales para avance y retroceso del robot submarino. Sin embargo, por múltiples fuentes se ha llegado a la conclusión de que este tipo de comunicación inalámbrica tampoco es óptima para funcionar bajo el agua por efectos de reflexión.
D. Comunicación por Cable:
Figura 58: Comunicación Serial
Cuando usamos el término comunicación por cable (Figura 58), nos referimos a que la transmisión de información de un lugar a otro seria atreves de un cable. Los tipos de cable a utilizar serian: Cable de Pares: Formado por grupo de 2 hilos (denominado pares), aislados entre si y recubiertos de un material plástico (Figura 59). Este tipo de cable se usa para transmitir en distancias cortas, ya que en distancias largas se pierde la información.
Figura 59: Cable de Pares
Cable Coaxial: Consta de 2 conductores, uno que va en el centro y otro que es una malla de cobre o aluminio (Figura 60). Ambos están separados por un material aislante. Se usan para transmitir a grandes distancias sin perdidas de información.
Figura 60: Cable Coaxial
66
Debido a que las señales inalámbricas no funcionan o se cae constantemente la comunicación lamentablemente en un medio como el agua (haría falta equipos de alta potencia para dicha transmisión), se escoge como mejor opción sobre todo por ser la más segura, es por medio de cable, el cual se utilizara para alimentar la cámara, y la transmisión de datos del Arduino proveniente de todos los datos lanzados por los sensores, como también la transmisión de ordenes provenientes del computador. Respecto a la alimentación de los motores será necesario alimentarlos con cables apartes de mayor calibre que soporten la corriente trabajada. 3.2.6.3 Sensores Un sensor es un objeto capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas para un posterior análisis. Nuestro MECAROV-X tendrá una serie de sensores los cuales se mostrarán a continuación con su descripción y razones por las cuales fueron escogidos, entre ellas el costo y precisión de sensado.
A. Sensor de Gas MQ135: Este sensor de gas (Figura 61) se usa para la implementación de gases peligrosos y en controladores de la calidad del aire. Este sensor es capaz de detectar un amplio rango de gases que incluye: NH3, NOx, alcohol, Benceno, Humo y CO2.
Figura 61: Sensor de Gas MQ135
Características:
Alta sensibilidad Rango de Detección: 10-300 ppm NH3, 10-1000ppm de Benceno. Voltaje de operación: 5V Contiene salida digital y salida análoga.
El uso de este sensor en el diseño del submarino es poder detectar algún corto causado en algunos de los componentes internos para poder así desconectar la alimentación y rescatar los componentes restantes.
67
B. Sensor de humedad y temperatura DHT11: Este sensor (Figura 62) se caracteriza por tener la señal digital calibrada por lo que asegura una alta calidad y una fiabilidad a lo largo del tiempo, ya que contiene un microcontrolador de 8 bits integrado. Está constituido por dos sensores resistivos (NTC y humedad). Tiene una excelente calidad y una respuesta rápida en las medidas.
Figura 62: Sensor de Humedad y Temperatura DHT11
Características: Rango de Humedad: 20% – aprox. 95% Rango de Temperatura: 0ºC – 50ºC. Rango de voltaje: 3.5 - 5.5v. Este sensor será implementado para la detección de temperatura elevada y sobre todo si hay humedad interna en el submarino, la intensión es que una vez detectado alguna de estas señales en alto el submarino suba automáticamente a la superficie.
C. Sensor de presencia IR PIR HC-SR501: Sensor de movimiento pasivo infra-rojo (PIR) (Passive Infrared). Sensor ajustable (Figura 63) que detecta movimiento al medir cambio en el infrarrojo emitido por los objetos circundantes.
Figura 63: Sensor de Presencia IR PIR HC-SR501
68
Características:
Circuito de control. Sensibilidad y tiempo ajustable. Rango de voltaje: 4.5-20V Voltaje de salida: Niveles alto/bajo de señal 3.3V TTL. Distancia de detección: 3—7 metros (ajustable). Rango de detección: Tamaño: 32.2 mm x 24.3 mm x 18 mm (aprox) Tiempo detección: 5-200s (puede ser ajustado).
La aplicabilidad de este sensor en el sumergible es el poder detectar objetos que pasen por su rango de visión y graduando su distancia se puede hacer que envíe alguna señal o que el ROV retroceda inmediatamente. D. Sensor de Corriente GY-712-30ª Este sensor (Figura 64) fue escogido para la medición de la corriente consumida de cada motor y tener así un registro o un monitoreo constante de estos para así -según su valoranalizar si están funcionando adecuadamente, o si hay alguna obstrucción en algún motor (subida de corriente), si el aspa se ha desprendido (baja de corriente), o por alguna otra falla que se pueda presentar por alguna irregularidad en los valores obtenidos.
Figura 64: Sensor de corriente GY-712-30 ª
Características:
Sensor: ACS712ELECTR-30A-T. Medición de corriente AC y DC. Salida de voltaje proporcional a la corriente. Ancho de banda: hasta 80kHz Error en la salida: 1.5% Protección contracorriente. Contiene aislamiento de 2.1kVRMS
69
E. Sensor de presión BMP180 Este sensor (Figura 65) principalmente usado para medir presión atmosférica, será adaptado para medir la presión y la profundidad en la que se encuentra el submarino a través de una fórmula previamente establecida en el código del Arduino, la cual será mostrada en la interface en LabView.
Figura 65: Sensor de presión BMP180
Características:
Voltaje de alimentación: 1,8 V a 3,6 V Corriente: 0.5uA Interfaz I2C Resolución: hasta 0.02hPa (17cm) Amplia gama de presión barométrica Incluye sensor de temperatura Peso: 1,18 g Tamaño: 21mm x 18mm
F. Sensor Acelerómetro y Giroscopio GY-521 El uso de este dispositivo (Figura 66) tiene como objetivo conocer la posición del submarino en sus tres ejes, y así poder regular las potencias de los motores y garantizar una posición firme.
Figura 66: Sensor acelerómetro y giroscopio GY-521
70
Características: Contiene tiene un giroscopio y acelerómetro para detección de ángulos, e inclinación. Voltaje de alimentación: 3~5VDC Contiene además un termómetro interno
3.2.6.4 Controladores de Motores 3.2.6.4.1
Modulo puente H-BTS7960
Este módulo puente H (Figura 67) será encargado de controlar el motor no solo su encendido y apagado sino también su cambio de giro y su velocidad. Este módulo es capaz de controlar un solo motor por lo que se usarán 4 de estos, además de soportar una carga de hasta 43A más que suficiente para la carga a aplicar. La razón de usar este puente H de alta potencia es que no se consiguió uno adecuado que soporte la carga que estos motores exigirán (aproximadamente 9A cada uno).
Figura 67: Puente H-BTS7960
Características:
Chips: BTS7960 Chip: Buffer Schmitt-trigger 74AHC244 Voltaje de operación: 5.5 V~ 27 V Corriente de operación máxima: 43 A Protección: Sobrecorriente Baja corriente de reposo: 7uA a 25°C Entradas lógicas: Si Tasa de respuesta ajustable: EMI Señal PWM: Dos canales Frecuencia de reloj: 25 KHz
71
3.2.6.5 Software de Control y HMI El software de control se hará conjuntamente con Arduino y Labview de la compañía National Instruments (Figura 68). La razón para elegir estos dos softwares es la amplia gama de posibilidades que contienen en cuanto a accesibilidad, manejo, robustez, y velocidad en la transmisión, operación y manejo de la información.
Figura 68: Software de control Labview-Arduino
NI LabVIEW es un entorno de desarrollo diseñado específicamente para acelerar la productividad de ingenieros y científicos. Con una sintaxis de programación gráfica que facilita visualizar, crear y codificar sistemas de ingeniería, LabVIEW es incomparable en ayudarle a reducir tiempos de pruebas, ofrecer análisis de negocio basado en datos recolectados y convertir sus ideas en realidad. LabVIEW está diseñado para incorporarse con otro software, ya sea métodos alternativos de desarrollo o plataformas de fuente abierta, para garantizar que usted puede usar todas las herramientas a su disposición. Con un programa de servicio de software incluido que brinda soporte por teléfono y correo electrónico por parte de ingenieros certificados, actualizaciones a las últimas versiones y acceso 24/7 a formación y capacitación en línea, una compra de LabVIEW incluye todo lo que usted necesita para tener éxito. La programación para el MECAROV-X se repartirá por así decirlo, entre Arduino y Labview ya que se quiere implementar una comunicación serial entre estos dos entornos de desarrollo, para equilibrar y no sobrecargar a ninguno de los dos softwares con todo el manejo de la información y órdenes a generar. El software del prototipo debe ser repartido en varias partes o etapas encargadas de la recepción, manejo y emisión de señales de cada sistema propuesto para el ROV. Entre estas etapas o bloques de programación se destacan:
Control de motores Control de cámara Control de Seguridad Control de Sensores
Además, se quiere implementar gracias al software Labview una interfaz gráfica Humano-Maquina que simule un panel de control del submarino en el que se visualicen todas las variables que son manejadas desde el centro de control. Como por ejemplo gráficos sobre el consumo de energía, grafico sobre la profundidad en la que se encuentra, estados de emergencia, señales de los sensores, controles de dirección, entre otras más que se pueden ir agregando a medida que se va desarrollando esta interfaz.
72
3.2.7
Sistemas Auxiliares
3.2.7.1 Sistema de Ascenso de Emergencia: Este sistema se adopta debido a los posibles eventos no deseados que se pueden presentar en las pruebas e implementación del submarino en el medio acuático. Para tal fin se determinan estos eventos peligrosos o no deseados y se explican las acciones que se adoptarán cuando se presenten: Alarma por falta de comunicación: este sistema de ascenso de emergencia se implementa para los hipotéticos casos en que se llegue a perder la comunicación entre el ROV y el centro de control, ya que es posible que al ocurrir esto el prototipo quede en un estado de descontrol y sin posibilidad de predecir las ordenes con las que queden por ejemplo los motores. En el software de programación del microcontrolador se registrará una etapa de “emergencia” que al detectar esta falta de comunicación pondrá los motores de inmersión a toda potencia para hacer emerger el submarino. Cabe resaltar que en el diseño de flotabilidad se determinó que el ROV siempre tuviera una flotabilidad tendiente a positiva lo cual facilitará la emersión. Alarma por humedad: este sistema de ascenso de emergencia será controlado gracias al sensor de humedad que se planteó implementar. Cuando se tenga el registro de que fue detectada algún tipo de humedad dentro del casco, inmediatamente los motores actuaran a toda potencia para emerger el submarino. Alarma por humo: este sistema de ascenso de emergencia será controlado por el sensor de humo que se planteó implementar. Cuando se detecte alguna señal de humo por más mínima que sea se dará la orden a los motores de emerger el submarino.
3.2.7.2 Sistema de Inspección: Cámara Debido a que el submarino se planteó como un prototipo de exploración y se planteó el uso de una cámara para la visualización del entorno acuático, se hace el uso de una cámara webcam VGA de 2Mpx (Figura 69) sin uso de un computador de mesa. La configuración de esta cámara se realizará a través de sus drivers que serán instalados en el computador del centro de control. Una vez instalada se utilizará el complemento VIDEO de LabVIEW para enlazarla en la interfaz de control. Alimentada por puerto USB con aproximadamente 5 V y con sistema de comunicación vía USB.
73
Figura 69: Cámara VGA de 2 Mpx
3.2.7.3 Sistema de Iluminación: Led El sistema de iluminación se plantea utilizar con un LED de alta potencia de 10W (Figura 70) el cual irá alojado en la parte externa del prototipo, en las extremidades de tuvo PVC que se definieron en la sección de Estructura. El objetivo de este sistema es para brindar la claridad e iluminación suficiente para que las imágenes captadas por la cámara sean lo suficientemente claras.
Figura 70: led de alta Potencia 10 W
Características:
LOP:900-1000LM VF:6000-6500K CCT: 3.2~3,4 VDC IF:800~900mA
74
3.2.8
Hermeticidad
La hermeticidad (Figura 71) hace referencia a un sistema que es impenetrable y completamente cerrado, es decir que no permita entrar ni salir algo. Se llama estanqueidad (Figura 72) al sistema de protección para evitar el paso del agua a través de una construcción o de los elementos constructivos exteriores.
Figura 71: Hermeticidad
Figura 72: Estanquidad
Para el diseño se piensa en hermetizar el submarino con tapones lisos o de rosca preferiblemente, pega especial para PVC, también una cadena de tornillos, tuercas y con un empaque de caucho entre las uniones para evitar toda entrada de agua no deseada. Para las uniones pequeñas entre tubos se utilizará pega o llamada también soldadura liquida para PVC, para las tapas de los extremos de los tubos se colocará los tapones con pega y para la cúpula y tampón trasero de la estructura principal se usará una cadena de tornillos alrededor del perímetro de unión entre estos para una fácil evacuación de los componentes internos (Ensayos de estanqueidad del agua, 2014).
75
3.3 Diseño Final 3.3.1
Diseño en 3D - CAD
Figura 73: Vistas generales de MECAROV-X
76
3.3.2
Planos en 3D
Figura 74: Plano general MECAROV-X
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
Tabla 18: Tabla de costos MECAROV-X
ELEMENTO
CANTIDAD
PRECIO C/U
Arduino Mega Motores Sensor Gas MQ135 Sensor de Humedad y Temperatura DHT11 Sensor de Presencia IR PIR HC-SR501 Sensor de Corriente GY-712-30 ª Sensor de Presión BMP180 Sensor Acelerómetro y Giroscopio GY-521 Modulo Puente H-BTS7960 Servomotor SG90 Micro Servomotor S3003 Led 10W Termoencogible Cable 3 Pares Cableado Calibre 16 Elices Caja Seguridad (Acrílico) Base Cámara Manija de Agarre Cúpula T de PVC 1 Pulgada Tubo de PVC 1 Pulgada Tubo de PVC 2 Pulgadas Tubo de PVC 3 Pulgadas Tubo de PVC 4 Pulgadas Tubo de PVC 6 Pulgadas Tapa de PVC 1 Pulgada Tapa de PVC 2 Pulgada Tapa de PVC 6 Pulgada Extras TOTAL
1 4 1 1 1 1 1 1 4 2 1 2 25 Metros 10 Metros 25 Metros 4 1 1 1 1 4 1 ½ Metro ½ Metro 1 Metro ½ Metro ½ Metro 6 4 1 1
50.000 20.000 26.000 8.000 8.000 15.000 10.000 14.000 50.000 15.000 20.000 8.000 600 1.400 700 3.000 15.000 15.000 2.000 50.000 1.250 1.500 4.000 2.000 3.250 11.500 850 1.500 8.000 50.000
TOTAL 50.000 80.000 26.000 8.000 8.000 15.000 10.000 14.000 200.000 30.000 20.000 16.000 15.000 14.000 17.500 12.000 15.000 15.000 2.000 50.000 5.000 4.500 4.000 2.000 3.250 11.500 5.100 6.000 8.000 50.000 716.850
98
4. CONCLUSIONES En el actual proyecto investigativo y practico se ha logrado investigar toda la parte teórica (conceptos, leyes, formulas, entre otros) tomados de distintas fuentes desde artículos investigativos, noticias hasta informe y proyectos específicamente enfocados a proyectos ROV y submarinos, gracias a toda esta información se ha tenido los suficientes conocimientos para la realización de este prototipo sumergible. Se ha considerados puntos importantes como la relación entre el empuje de un motor y su hélice tanto dentro como fuera del agua, la presión ejercida por el agua en el cuerpo del submarino, por tanto, teniendo muy presente la hermetizarían y la estanquidad; se analizó las leyes que rigen la oposición de un fluido a ser movido por un objeto para analizar así el esfuerzo que deberá superar los motores para poder mover todo el peso y cuerpo del sumergible. Se analizó la parte eléctrica y electrónica de este como los distintos sensores a colocar y sus respectivas funciones a cumplir, el escoger adecuadamente la fuente de poder y el cableado adecuado para superar con las cargas de los motores y para la transmisión de datos. Observando además los distintos medios para la comunicación con el ROV la cual se llegó a escoger por cableado debido a la eficiencia de transmisión de datos que este conlleva sacrificando en parte la distancia limitada en que llegará dicho submarino debido a la distancia finita del cableado, y además el esfuerzo extra que llevará los motores para vencer la fuerza de oposición que ejercerá este cordón. El diseño estructural fue escogido para un óptimo desempeño en el agua, teniendo en cuenta su volumen y la fuerza boyante a superar, con buen desempeño en los motores, unas aletas para una mayor estabilidad y maniobrabilidad, además un agradable acabado y buena administración del espacio, ofreciendo un tamaño ideal y cómodo para la exploración al ser un diseño compacto y su complejo sistema de sensores, donde podrá optimizarse fácilmente a fututo.
99
5. REFERENCIAS Tipos de Submarinos. (2016, septiembre 29). Recuperado de http://www.tipos.co/tipos-desubmarinos/
Submarinos de la Primera Guerra Mundial. (2015, enero 23) Recuperado de https://prezi.com/ktaaikq2n4tv/submarinos-de-la-primera-guerra-mundial/
Alam Miguel Loyo Ramos, (2016, septiembre 26), Historia del Submarino. Recuperado de http://www.monografias.com/trabajos82/historia-submarino/historia-submarino2.shtml
El Turtle de David Bushnell: El Primer Ataque de un Submarino. (2013, 26 enero). Recuperado de http://subnacho.blogspot.com.co/2013/01/el-turtle-de-david-bushnell-1776-el.html
Madero D. y Duran J (2012), Diseño de un prototipo ROV subacuático experimental, Tesis de Pregrado, Universidad Industrial de Santander.
Iliá Krámnik, (2014, enero 1),"USS Nautilus", nueva dimensión de la guerra submarina global. Recuperado de http://www.elsnorkel.com/2014/01/1954uss-nautilus-nueva-dimension-de-la.html
Vehículos de Inspección Autónoma, (2012). Recuperado de http://www.subsea7.com/content/dam/subsea7/documents/technologyandassets/LOF_AIV.pdf
QSTAR: ROV Training Center, (2014, febrero 16). Recuperado de http://www.rovs.es/que-es-unrov
Cengel Y. y Cimbala J, (2006, febrero 22), Mecánica de Fluidos - Fundamentos y Aplicaciones.
Comenzar la construcción de un submarino principiantes, (2015, mayo 9). Recuperado de http://www.taringa.net/post/hazlo-tu-mismo/14755983/Comenzar-la-construccion-de-unsubmarino-principiantes.html
Ensayos de estanqueidad del agua, (2014, septiembre http://www.onventanas.com/ventanas-estanqueidad-agua/
15).
Recuperado
de
100
Definición de Hermeticidad, (2016, junio 17). Recuperado de http://www.definicionesde.com/Definicion/de/hermeticidad.php
Estanqueidad, (2016, septiembre 29). Recuperado de http://www.construmatica.com/construpedia/Estanqueidad.
Comunicaciones Subacuáticas, (2016, septiembre 29). https://sites.google.com/site/proyectorovsubacuatico/home/sistema-decomunicaciones/comunicaciones-subacuaticas.
Recuperado
de
Sistemas de Propulsión, (2016, septiembre 29). Recuperado https://sites.google.com/site/proyectorovsubacuatico/home/sistema-de-propulsion.
de
Villamizar J. y Forero Y., (2014, marzo 26), USTA-ROV, Tesis de Pregrado de Ingeniería Mecatrónica, Universidad Santo Tomas de Bucaramanga.
¿Qué es el Acrílico?, (2016, septiembre 29). Recuperado de http://www.acrilico-ypolicarbonato.com/acrilico.html.
Fibra de Vidrio, (2016, septiembre http://www.maquinariapro.com/materiales/fibra-de-vidrio.html.
29).
Recuperado
de
¿Qué es el PVC?, (2016, septiembre 29). Recuperado de http://www.eis.uva.es/~macromol/curso0708/pvc/queeselpvc.html.
Nicolás Soria, Daniel Cabrera, Paulo Guerra, (2014, junio 13), Diseño y Construcción de un prototipo ROV (Remotely Operated Vehicule) Submarino USFQ. Recuperado de http://revistas.usfq.edu.ec/index.php/avances/article/view/166
