Vehículo submarino autónomo

Un vehículo submarino autónomo (AUV) es un robot que viaja bajo el agua sin requerir la intervención de un operador. Los AUV forman parte de un grupo más grande de sistemas submarinos conocidos como vehículos subacuáticos no tripulados, una clasificación que incluye vehículos subacuáticos (ROV) no autónomos operados a distancia, controlados y propulsados ​​desde la superficie por un operador / piloto a través de un umbilical o mediante control remoto. En aplicaciones militares, un AUV se conoce más a menudo como un vehículo submarino no tripulado (UUV). Los planeadores submarinos son una subclase de AUVs.

Historia
El primer AUV fue desarrollado en el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad de Washington ya en 1957 por Stan Murphy, Bob Francois y más tarde, Terry Ewart. El “Vehículo de investigación subacuática de propósito especial”, o SPURV, se utilizó para estudiar la difusión, la transmisión acústica y los despertares submarinos.

Otros primeros AUV se desarrollaron en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en la década de 1970. Uno de estos está en exhibición en la galería náutica de Hart en MIT. Al mismo tiempo, los AUV también se desarrollaron en la Unión Soviética (aunque esto no se conocía comúnmente hasta mucho más tarde).

Aplicaciones
Hasta hace relativamente poco, los AUV se han utilizado para un número limitado de tareas dictadas por la tecnología disponible. Con el desarrollo de capacidades de procesamiento más avanzadas y fuentes de alimentación de alto rendimiento, los AUV ahora se están utilizando para más y más tareas con roles y misiones en constante evolución.

Comercial
La industria del petróleo y el gas utiliza AUV para hacer mapas detallados del fondo marino antes de comenzar a construir infraestructura submarina; Las tuberías y las terminaciones submarinas se pueden instalar de la manera más rentable y con una interrupción mínima del medio ambiente. La AUV permite que las compañías de encuestas realicen encuestas precisas de áreas donde las encuestas batimétricas tradicionales serían menos efectivas o demasiado costosas. Además, ahora son posibles las inspecciones de tuberías posteriores a la colocación, lo que incluye la inspección de tuberías. El uso de AUV para la inspección de tuberías e inspección de estructuras submarinas hechas por el hombre es cada vez más común.

Investigación

Un investigador de la Universidad del Sur de la Florida despliega Tavros02, un AUV (SAUV) alimentado con energía solar.
Los científicos usan los AUV para estudiar los lagos, el océano y el fondo del océano. Se puede colocar una variedad de sensores en los AUV para medir la concentración de varios elementos o compuestos, la absorción o reflexión de la luz y la presencia de vida microscópica. Los ejemplos incluyen sensores de conductividad, temperatura y profundidad (CTD), fluorómetros y sensores de pH. Además, los AUV pueden configurarse como vehículos de remolque para entregar paquetes de sensores personalizados a ubicaciones específicas.

Hobby
Muchos roboticistas construyen AUV como un hobby. Existen varias competiciones que permiten que estos AUV hechos en casa compitan entre sí y logran objetivos. Al igual que sus hermanos comerciales, estos AUV pueden equiparse con cámaras, luces o sonar. Como consecuencia de los recursos limitados y la inexperiencia, los AUV aficionados no pueden competir con los modelos comerciales en cuanto a profundidad operativa, durabilidad o sofisticación. Por último, estos AUV para pasatiempos no suelen ser oceánicos, y se operan la mayor parte del tiempo en piscinas o lechos de lagos. Se puede construir un AUV simple a partir de un microcontrolador, una carcasa de presión de PVC, un accionador automático de cerradura de puerta, jeringas y un relé DPDT. Algunos participantes en concursos crean diseños de código abierto.

Tráfico ilícito de drogas
Submarinos que viajan de forma autónoma a un destino por medio de la navegación GPS han sido realizados por narcotraficantes ilegales.

Investigaciones de choque aéreo
Se han utilizado vehículos submarinos autónomos, por ejemplo AUV ABYSS, para encontrar restos de aviones perdidos, por ejemplo, el vuelo 447 de Air France, y el AUV Bluefin-21 se usó en la búsqueda del vuelo 370 de Malaysia Airlines.

Aplicaciones militares
El plan maestro de vehículos submarinos no tripulados (UUV) de la Marina de EE. UU. Identificó las siguientes misiones de UUV:

Inteligencia, vigilancia y reconocimiento.
Minas contramedidas
Guerra antisubmarina
Inspección / identificación
Oceanografía
Nodos de red de comunicación / navegación.
Entrega de carga
Operaciones de información
Golpe de tiempo crítico

El Plan Maestro de la Marina dividió todos los UUV en cuatro clases:

Clase de vehículo portátil por el hombre: 25 a 100 libras de desplazamiento; 10-20 horas de resistencia; lanzado desde pequeñas embarcaciones de agua manualmente (es decir, Mk 18 Mod 1 Swordfish UUV)
Clase de vehículo liviano: hasta 500 libras de desplazamiento, 20 a 40 horas de resistencia; lanzado desde RHIB utilizando el sistema de lanzamiento / recuperación o por grúas de barcos de superficie (es decir, Mk 18 Mod 2 Kingfish UUV)
Clase de vehículos pesados: desplazamiento de hasta 3000 lb, resistencia de 40 a 80 horas, lanzado desde submarinos
Clase de vehículo grande: hasta 10 toneladas de desplazamiento largo; Lanzado desde barcos de superficie y submarinos.

Diseños de vehículos
Cientos de AUV diferentes han sido diseñados en los últimos 50 años, pero solo unas pocas compañías venden vehículos en cantidades significativas. Hay alrededor de 10 compañías que venden AUV en el mercado internacional, incluyendo Kongsberg Maritime, Hydroid (ahora una subsidiaria de Kongsberg Maritime), Bluefin Robotics, Teledyne Gavia (anteriormente conocida como Hafmynd), International Submarine Engineering (ISE) Ltd, Atlas Elektronik, y OceanScan.

Los vehículos varían en tamaño desde vehículos portátiles ligeros y ligeros a vehículos de gran diámetro de más de 10 metros de longitud. Los vehículos grandes tienen ventajas en términos de resistencia y capacidad de carga útil del sensor; Los vehículos más pequeños se benefician significativamente de una logística más baja (por ejemplo: huella de apoyo de los buques, sistemas de lanzamiento y recuperación).

Algunos fabricantes se han beneficiado del patrocinio del gobierno nacional, incluidos Bluefin y Kongsberg. El mercado se divide efectivamente en tres áreas: científica (incluidas universidades y agencias de investigación), comercial offshore (petróleo y gas, etc.) y aplicación militar (contramedidas de minas, preparación del espacio de batalla). La mayoría de estos roles utilizan un diseño similar y operan en modo crucero (tipo torpedo). Recopilan datos mientras siguen una ruta planificada de antemano a velocidades de entre 1 y 4 nudos.

Los AUV disponibles comercialmente incluyen varios diseños, como el pequeño REMUS 100 AUV desarrollado originalmente por el Instituto Oceanográfico Woods Hole en los EE. UU. Y ahora producido comercialmente por Hydroid, Inc. (una subsidiaria de Kongsberg Maritime); los HUGIN 1000 y 3000 AUV más grandes desarrollados por Kongsberg Maritime y Norwegian Defense Research Establishment; Los vehículos Bluefin Robotics de 12 y 21 pulgadas de diámetro (300 y 530 mm) y la International Submarine Engineering Ltd. La mayoría de los AUV siguen la forma tradicional del torpedo, ya que se considera el mejor compromiso entre tamaño, volumen utilizable, eficiencia hidrodinámica y Facilidad de manejo. Hay algunos vehículos que hacen uso de un diseño modular, lo que permite que los operadores cambien fácilmente los componentes.

El mercado está evolucionando y los diseños ahora siguen los requisitos comerciales en lugar de ser puramente evolutivos. Los próximos diseños incluyen AUV con capacidad de desplazamiento para inspección e intervención de luz (principalmente para aplicaciones de energía en alta mar) y diseños híbridos de AUV / ROV que cambian de función como parte de su perfil de misión. Una vez más, el mercado se verá impulsado por los requisitos financieros y el objetivo de ahorrar dinero y costosos tiempos de envío.

Hoy en día, mientras que la mayoría de los AUV son capaces de realizar misiones sin supervisión, la mayoría de los operadores se mantienen dentro del rango de los sistemas de telemetría acústica para mantener una estrecha vigilancia sobre su inversión. Esto no siempre es posible. Por ejemplo, Canadá ha recibido recientemente dos AUV (ISE Explorers) para inspeccionar el fondo marino debajo del hielo del Ártico en apoyo de su reclamación en virtud del Artículo 76 de la Convención de las Naciones Unidas sobre el Derecho del Mar. Además, las variantes de ultra bajo poder y largo alcance, como los planeadores submarinos, pueden funcionar sin supervisión durante semanas o meses en zonas litorales y mar abierto, y retransmiten periódicamente los datos por satélite a la costa, antes de volver a recogerlos.

A partir de 2008, se está desarrollando una nueva clase de AUV, que imita los diseños que se encuentran en la naturaleza. Aunque la mayoría se encuentran actualmente en sus etapas experimentales, estos vehículos biomiméticos (o biónicos) pueden lograr mayores grados de eficiencia en la propulsión y maniobrabilidad al copiar diseños exitosos en la naturaleza. Dos de estos vehículos son AquaJelly (AUV) de Festo y EvoLogics BOSS Manta Ray.

Sensores
Los AUV llevan sensores para navegar de forma autónoma y mapear las características del océano. Los sensores típicos incluyen brújulas, sensores de profundidad, sonares de barrido lateral y otros, magnetómetros, termistores y sondas de conductividad. Algunos AUV están equipados con sensores biológicos que incluyen fluorómetros (también conocidos como sensores de clorofila), sensores de turbidez y sensores para medir el pH y cantidades de oxígeno disuelto.

Una demostración en Monterey Bay, California, en septiembre de 2006, mostró que un AUV de 21 pulgadas (530 mm) de diámetro puede arrastrar un conjunto de hidrófonos de 400 pies (120 m) mientras mantiene una velocidad de crucero de 6 nudos (11 km / h).

Navegación
Las ondas de radio no pueden penetrar el agua muy lejos, por lo que tan pronto como un AUV se sumerge, pierde su señal GPS. Por lo tanto, una forma estándar para que los AUV naveguen bajo el agua es a través del cálculo de cuentas. Sin embargo, la navegación puede mejorarse utilizando un sistema de posicionamiento acústico submarino. Cuando se opera dentro de una red de transpondedores de línea de base desplegados en el fondo marino, esto se conoce como navegación LBL. Cuando se dispone de una referencia de superficie, como un barco de apoyo, se utiliza la posición de línea de base ultracorta (USBL) o línea de base corta (SBL) para calcular dónde está el vehículo submarino en relación con la posición conocida (GPS) de la nave de superficie Por medio de mediciones de rango acústico y de rodamientos. Para mejorar la estimación de su posición y reducir los errores en el cálculo de cuentas (que crecen con el tiempo), el AUV también puede emerger y tomar su propia solución GPS. Entre los arreglos de posición y para una maniobra precisa, un sistema de navegación inercial a bordo del AUV calcula mediante el cálculo de la posición, la aceleración y la velocidad del AUV. Las estimaciones se pueden realizar utilizando datos de una Unidad de medición inercial, y se pueden mejorar agregando un Registro de velocidad Doppler (DVL), que mide la velocidad de viaje sobre el fondo del mar / lago. Por lo general, un sensor de presión mide la posición vertical (profundidad del vehículo), aunque la profundidad y la altitud también se pueden obtener de las mediciones de DVL. Estas observaciones se filtran para determinar una solución de navegación final.

Propulsión
Hay un par de técnicas de propulsión para los AUV. Algunos de ellos utilizan un motor eléctrico con escobillas o sin escobillas, caja de cambios, sello de labios y una hélice que pueden estar rodeados por una boquilla o no. Todas estas partes integradas en la construcción AUV están involucradas en la propulsión. Otros vehículos utilizan una unidad de empuje para mantener la modularidad. Dependiendo de la necesidad, el propulsor puede estar equipado con una boquilla para proteger la colisión de la hélice o para reducir el ruido, o puede estar equipado con un propulsor de accionamiento directo para mantener la eficiencia en el nivel más alto y los ruidos en el nivel más bajo. Los propulsores AUV avanzados tienen un sistema de sellado de eje redundante para garantizar un sellado adecuado del robot, incluso si uno de los sellos falla durante la misión.

Los planeadores submarinos no se impulsan directamente. Al cambiar su flotabilidad y ajuste, se hunden y ascienden repetidamente; Las “alas” aerodinámicas convierten este movimiento hacia arriba y hacia abajo en movimiento hacia adelante. El cambio de flotabilidad se realiza normalmente mediante el uso de una bomba que puede absorber o expulsar el agua. El paso del vehículo se puede controlar cambiando el centro de masa del vehículo. Para los planeadores Slocum esto se hace internamente moviendo las baterías, que están montadas en un tornillo. Debido a su electrónica de baja velocidad y baja potencia, la energía requerida para los estados de recorte del ciclo es mucho menor que para los AUV regulares, y los planeadores pueden tener resistencias de meses y rangos transoceánicos.

Poder
La mayoría de los AUV que se utilizan hoy en día funcionan con baterías recargables (ion litio, polímero de litio, hidruro de níquel metálico, etc.) y se implementan con algún tipo de sistema de administración de batería. Algunos vehículos usan baterías primarias que brindan quizás el doble de resistencia, a un costo adicional sustancial por misión. Algunos de los vehículos más grandes funcionan con celdas de semicombustible a base de aluminio, pero requieren un mantenimiento sustancial, requieren recargas costosas y producen productos de desecho que deben manejarse de manera segura. Una tendencia emergente es combinar diferentes baterías y sistemas de energía con supercapacitores.