Diseño y validación de un sistema de control de velocidad para un vehículo subacuático remotamente operado

Los vehículos remotamente operados, ROVs, son dispositivos de gran utilidad que pueden brindar una ayuda importante a los humanos en el desarrollo de exploración en aguas profundas y tareas subacuáticas. Estos vehículos no tripulados requieren la intervención humana para la realización de sus trabaj...

Full description

Autores:
Aldana Afanador, Andrés Felipe
Esteban Villegas, Helio Sneyder
Tipo de recurso:
Trabajo de grado de pregrado
Fecha de publicación:
2018
Institución:
Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
Repositorio:
Repositorio UNAB
Idioma:
spa
OAI Identifier:
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Acceso en línea:
http://hdl.handle.net/20.500.12749/1611
Palabra clave:
Mechatronics
Electronic control
Underwater vehicles
Mechatronic Engineering
Investigations
New technologies
Remote control
Underwater works
Autopilots
PID controllers
Mecatrónica
Control electrónico
Vehículos subacuáticos
Ingeniería mecatrónica
Investigaciones
Nuevas tecnologías
Control remoto
Trabajos subacuáticos
Pilotos automáticos
Controladores PID
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openAccess
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description Los vehículos remotamente operados, ROVs, son dispositivos de gran utilidad que pueden brindar una ayuda importante a los humanos en el desarrollo de exploración en aguas profundas y tareas subacuáticas. Estos vehículos no tripulados requieren la intervención humana para la realización de sus trabajos subacuáticos y tiene la habilidad de cargar múltiples instrumentos, sensores y actuadores de acuerdo con la aplicación. Este proyecto propone el desarrollo de un sistema de control de un ROV que se llevará a cabo en cuatro etapas principales, iniciando por el modelamiento del ROV, donde se obtendrán las ecuaciones diferenciales que rigen el sistema, se desarrollará un análisis por elementos finitos para la obtención de algunos parámetros de hidrodinámica, se obtendrá la representación del sistema por medio de un modelo lineal en espacio de estados, y por último, se realizará el diseño de dos sistemas de control avanzado, que se seleccionarán con base en una búsqueda bibliográfica que permita determinar las estrategias más adecuadas para el sistema. Como resultado final se implementarán los controladores en un ROV subacuático comercial y se realizará la respectiva evaluación de desempeño de los mismos con pruebas reales.
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Estos vehículos no tripulados requieren la intervención humana para la realización de sus trabajos subacuáticos y tiene la habilidad de cargar múltiples instrumentos, sensores y actuadores de acuerdo con la aplicación. Este proyecto propone el desarrollo de un sistema de control de un ROV que se llevará a cabo en cuatro etapas principales, iniciando por el modelamiento del ROV, donde se obtendrán las ecuaciones diferenciales que rigen el sistema, se desarrollará un análisis por elementos finitos para la obtención de algunos parámetros de hidrodinámica, se obtendrá la representación del sistema por medio de un modelo lineal en espacio de estados, y por último, se realizará el diseño de dos sistemas de control avanzado, que se seleccionarán con base en una búsqueda bibliográfica que permita determinar las estrategias más adecuadas para el sistema. Como resultado final se implementarán los controladores en un ROV subacuático comercial y se realizará la respectiva evaluación de desempeño de los mismos con pruebas reales.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 14 2. OBJETIVOS ................................................................................................... 17 2.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................. 17 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................... 17 3 JUSTIFICACIÓN ............................................................................................ 18 4. ANTECEDENTES .......................................................................................... 21 5. ESTADO DEL ARTE ...................................................................................... 22 5.1. MODELADO ............................................................................................. 22 5.2. DISEÑO DE ROV Y SIMULACIÓN CFD .................................................. 24 5.3. DISEÑO DE CONTROLADORES ............................................................ 25 5.4 MODELO DE CORDÓN UMBILICAL....................................................... 27 6. MARCO TEÓRICO ......................................................................................... 29 6.1. COMPONENTES FÍSICOS DE UN ROV .................................................. 29 6.1.1. SISTEMA DE PROPULSIÓN ............................................................. 29 6.1.2. SENSORES ....................................................................................... 32 6.1.3. SISTEMA DE ILUMINACIÓN............................................................. 37 6.2. CLASIFICACIONES DE UN ROV ............................................................ 39 6.2.1. SEGÚN SU ALIMENTACIÓN ............................................................ 40 6.2.2. SEGÚN SU USO ................................................................................ 41 6.3. OPENROV ................................................................................................ 46 6.3.1. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS ..................................................... 46 6.3.2. APLICACIONES ACTUALES ............................................................ 47 6.4. DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL ........................................ 48 6.4.1. MODELOS DE TURBULENCIA ........................................................ 49 6.4.2. MODELOS RANS .............................................................................. 50 6.4.3. ENMALLADO .................................................................................... 52 6.5. ANÁLISIS MATEMÁTICO DE UN ROV ................................................... 54 6.5.1. FLOTABILIDAD ................................................................................. 54 6.5.2. ESTABILIDAD ................................................................................... 55 6.5.3. CINÉTICA DE UN ROV ..................................................................... 57 6.6. CONTROL DE UN ROV ........................................................................... 59 6.6.1. CONTROLADOR DE MODO DESLIZANTE ..................................... 60 6.6.2. CONTROLADOR LINEAL CUADRÁTICO ........................................ 62 7. METODOLOGÍA ............................................................................................. 65 7.1. PLAN DE PRUEBAS................................................................................ 65 7.1.1. PRUEBAS PARA VALIDACIÓN DE MODELO ................................. 66 7.1.2. PRUEBAS PARA VALIDACIÓN DE CONTROLADORES ............... 67 8. RESULTADOS ESPERADOS ........................................................................ 68 9. CRONOGRAMA ............................................................................................. 69 10. PRESUPUESTO .......................................................................................... 71 11. ENSAMBLE DEL PROTOTIPO ................................................................... 72 12. SIMULACIONES CFD ................................................................................. 77 12.1. SIMPLIFICACIÓN DE LA GEOMETRIA ............................................... 77 12.2. DEFINICIÓN DEL DOMINIO Y CONDICIONES DE FRONTERA ......... 79 12.3. ENMALLADO DEL DOMINIO Y COMPUTO ........................................ 82 12.4. POST PROCESAMIENTO .................................................................... 87 13. MODELADO DEL ROV ............................................................................... 94 13.1 FUERZAS EXTERNAS ......................................................................... 95 13.2 FUERZA DEL CORDÓN UMBILICAL ................................................ 101 13.3 MODELO DE LOS ACTUADORES .................................................... 109 13.4 TEORÍA DE MANIOBRABILIDAD ...................................................... 114 14. CONTROL DEL ROV ................................................................................ 116 15. RESULTADOS .......................................................................................... 123 16. CONCLUSIONES ...................................................................................... 128 16.1 CONCLUSIONES SOBRE EL ENSAMBLAJE ........................................ 128 16.2 CONCLUSIONES SOBRE EL DESARROLLO DE LAS SIMULACIONES CFD .................................................................................................................. 128 16.3 CONCLUSIONES SOBRE EL MODELO ................................................. 129 16.4 CONCLUSIONES SOBRE EL CONTROL ............................................... 130 17. BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................... 131PregradoLos vehículos remotamente operados, ROVs, son dispositivos de gran utilidad que pueden brindar una ayuda importante a los humanos en el desarrollo de exploración en aguas profundas y tareas subacuáticas. Estos vehículos no tripulados requieren la intervención humana para la realización de sus trabajos subacuáticos y tiene la habilidad de cargar múltiples instrumentos, sensores y actuadores de acuerdo con la aplicación. Este proyecto propone el desarrollo de un sistema de control de un ROV que se llevará a cabo en cuatro etapas principales, iniciando por el modelamiento del ROV, donde se obtendrán las ecuaciones diferenciales que rigen el sistema, se desarrollará un análisis por elementos finitos para la obtención de algunos parámetros de hidrodinámica, se obtendrá la representación del sistema por medio de un modelo lineal en espacio de estados, y por último, se realizará el diseño de dos sistemas de control avanzado, que se seleccionarán con base en una búsqueda bibliográfica que permita determinar las estrategias más adecuadas para el sistema. Como resultado final se implementarán los controladores en un ROV subacuático comercial y se realizará la respectiva evaluación de desempeño de los mismos con pruebas reales.application/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 ColombiaDiseño y validación de un sistema de control de velocidad para un vehículo subacuático remotamente operadoDesign and validation of a speed control system for a remotely operated underwater vehicleIngeniero MecatrónicoBucaramanga (Colombia)Universidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronicsElectronic controlUnderwater vehiclesMechatronic EngineeringInvestigationsNew technologiesRemote controlUnderwater worksAutopilotsPID controllersMecatrónicaControl electrónicoVehículos subacuáticosIngeniería mecatrónicaInvestigacionesNuevas tecnologíasControl remotoTrabajos subacuáticosPilotos automáticosControladores PIDAldana Afanador, Andrés Felipe, Esteban Villegas, Helio Sneyder (2018). Diseño y validación de un sistema de control de velocidad para un vehículo subacuático remotamente operado. Bucaramanga (Colombia) : Universidad Autónoma de Bucaramanga UNAB[1] FOSSEN, Thor. Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control. 1 ed. West Sussex: John Wiley & Sons Ltd, 2011. 575 p. ISBN 978-1-119-99149-6.[2] WAREHAM, M. ROVs Continue to Develop Capacity for Deepwater Operations. En: Offshore PennWell Magazine. Vol. 4, No. 73, 2013, p. 108-109.[3] BORCHARDT, J.K. Robots of the Sea. En: Mechanical Engineering ASME Magazine. 2008, p. 36-39.[4] IMCA. Code of Practice for the Safe & Efficient Operation of Remotely Operated Vehicles. En: IMCA. Vol. (4), No. 3, 2009, p. 5-10.[5] CARACOL. La industria petrolera en Colombia está seriamente amenazada por consultas populares. En: Caracol Radio [en línea]. (5 de jun., 2017). Disponible en: <http://caracol.com.co/radio/2017/06/05/nacional/1496686943_796052.html> [Citado el 4 de agosto de 2017][6] CAMPETROL. 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