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

Resumen

Resumen de la tesis: Los mares del mundo son un recurso valioso, así como un elemento clave en la ecología y sostenibilidad del medio ambiente, que necesitan protección como una fuente importante de alimentos, riqueza y vida. El manejo exitoso de los recursos marinos se consigue mediante el monitoreo de los parámetros físico-químicos relacionados con la calidad del agua, como la salinidad, la temperatura, el oxígeno disuelto, los nitratos, los fosfatos, la densidad, el pH y los niveles de clorofila, entre otros. Para monitorizar correctamente los parámetros de la calidad del agua del medio marino, se propone en esta tesis una arquitectura de control para un vehículo autónomo de superficie ASV para realizar misiones de larga duración que se puede anclar sobre fondos someros y comportarse como boya fija para optimizar la energía de la misión, lo que se ha llamado en esta tesis comportamiento híbrido ASV-Boya. Este vehículo se autoabastece con energía solar fotovoltaica e incorpora sistemas de detección especializados para medir la calidad del agua. A este sistema robótico conjunto se la ha llamado observatorio oceanográfico robótico. El sistema es una combinación de vehículo autónomo y boya fija, cuya energía y autonomía de navegación se gestionan gracias a una arquitectura de software capaz de tomar decisiones de forma inteligente y autónoma. Esta embarcación altamente especializada es novedosa porque tiene la capacidad de anclarse al lecho marino y convertirse en una “boya”, ya sea para tomar medidas en puntos específicos o para recargar sus baterías y navegar explorando una determinada área tomando muestras del entorno. La arquitectura de control diseñada es de tipo híbrida, que combina una capa deliberativa dividida en dos niveles, el Nivel Estratégico y el Nivel Táctico, que son los que toman las decisiones y una capa reactiva, el Nivel Operativo, donde se ejecutan los comportamientos reactivos. De los estudios de los vehículos autónomos que han sido descritos en la literatura, como los vehículos operados a distancia (ROV), los vehículos autónomos subacuáticos (AUV) y los vehículos autónomos de superficie (ASV), todos tienen una autonomía de suministro energético limitada, debido a la capacidad de sus baterías, por tanto, el área que pueden cubrir también lo es. No disponen de sistemas de producción y gestión inteligente de su energía, que permitan optimizar su empleo en misiones de larga duración, y planificar adecuadamente las zonas a monitorear. Este ASV-Boya proporciona una solución novedosa y logra una presencia autónoma permanente en lagos o aguas costeras poco profundas. Esto mejora la autonomía en el monitoreo de los parámetros de calidad del agua y evita los problemas asociados con el despliegue de un gran número de sistemas de observación marina basados en boyas fijas, que influyen y afectan al tráfico marítimo, al medio ambiente, al turismo y el costo involucrado. Todas las operaciones de la embarcación son gestionadas por la arquitectura de control implementada en el vehículo. El sistema de toma de decisiones calcula la ruta a la siguiente área que se explorará teniendo en cuenta una serie de parámetros, que incluyen: la posición del vehículo, los parámetros físico-químicos del agua, la distancia a la siguiente área de exploración, la radiación solar, la energía disponible en sus baterías, la velocidad del viento y dirección, corrientes de agua, etc. La tesis contempla el diseño y simulación del modelo de arquitectura de control mediante el software Matlab/Simulink, para verificar la viabilidad del mismo, introduciendo datos similares a los obtenidos en el mundo real. Se propone una estrategia de clasificación de zonas georreferenciadas de exploración que facilitan la toma de decisiones en la viabilidad de la ruta de exploración. Para ello se divide la zona de exploración (en esta tesis el Mar Menor) en cuadrículas georreferenciadas, estableciendo una base de datos de las coordenadas de cada zona, al objeto de tener claramente diferenciados y ordenados los valores de los parámetros físico-químicos de cada zona, cuando se realizan las exploraciones. También se describe una misión de monitoreo permanente en el Mar Menor, con una combinación de energía solar y una estrategia de toma de decisiones con respecto a la ruta óptima a seguir. Al final se incluyen los resultados de la simulación de la misión y de la energía, así como una descripción de las misiones de monitoreo reales obtenidas en el experimento realizado. Se propone para futuras investigaciones el despliegue de varios de estos robots para explorar una determinada zona marina.