Mejora de la maniobrabilidad de submarinos tripulados mediante control óptimo de tanques de lastre

Resumen

Los submarinos tripulados están equipados con un cierto número de tanques de lastre distribuidos a lo largo de su casco que, cuando están llenos de agua, proporcionan al submarino el peso necesario para sumergirse. En caso de emergencia, los tanques de lastre pueden actuar como un mecanismo de seguridad, permitiendo llevar el vehículo a la superficie con rapidez. Para ello, se inyecta en los tanques aire a alta presión que fuerza la salida del agua al exterior. De este modo el submarino pierde peso, su flotabilidad aumenta, y puede emerger más rápidamente. Para el llenado de los tanques, se abre una válvula localizada en su parte superior, de forma que el aire escapa al exterior permitiendo la entrada de agua. Estos procesos se conocen, respectivamente, como soplado y ventilación de los tanques de lastre. Nuestro propósito es estudiar estos procesos proporcionando, en primer lugar, las herramientas matemáticas necesarias para su análisis, simulación y control. Analizamos, en segundo lugar, el posible uso de estos procesos como un mecanismo de control adicional que permita mejorar la maniobrabilidad del vehículo en determinadas situaciones. Estudiamos, en concreto, el aumento de la estabilidad durante maniobras de ascenso de emergencia y la posibilidad de realizar hovering, es decir, de mantener la cota en ausencia de velocidad de avance. Esta última capacidad resulta esencial, por ejemplo, para el lanzamiento y recogida de vehículos autónomos (AUVs), un asunto que ha despertado un enorme grado de interés en los últimos tiempos. Proponemos en primer lugar un modelo matemático para los procesos de soplado y ventilación acoplado con las ecuaciones cinemáticas y dinámicas del movimiento del vehículo. Realizamos un riguroso análisis matemático de la ley de estado resultante. Formulamos el problema de control como un problema de control óptimo de Bolza para el que probamos la existencia de solución y que es resuelto mediante un método de descenso tipo gradiente. A continuación proponemos un algoritmo de control en lazo cerrado que permite seguir en presencia de incertidumbres las trayectorias óptimas obtenidas como solución de este problema de Bolza. Para el estudio del hovering, se propone una ley de control basada en el control en modo deslizante. Las simulaciones numéricas llevadas a cabo muestran que, en efecto, el uso de los procesos de soplado y ventilación como un mecanismo de control puede ser una herramienta de gran valía tanto en el control del hovering como para la mejora de la seguridad durante maniobras de emergencia.