Un vehículo submarino autónomo ( AUV ) es un robot que viaja bajo el agua sin requerir intervención continua de un operador. Los AUV constituyen parte de un grupo más amplio de sistemas submarinos conocidos como vehículos submarinos no tripulados , una clasificación que incluye vehículos submarinos operados a distancia (ROV) no autónomos , 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 denomina más a menudo vehículo submarino no tripulado ( UUV ). Los planeadores submarinos son una subclase de AUV.
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 Submarina Autopropulsado", o SPURV , se utilizó para estudiar la difusión, la transmisión acústica y las estelas submarinas.
Otros AUV tempranos se desarrollaron en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en la década de 1970. Uno de ellos se exhibe en la Hart Nautical Gallery del MIT. Al mismo tiempo, los AUV también se desarrollaron en la Unión Soviética [1] (aunque esto no se conoció comúnmente hasta mucho más tarde).
Este tipo de vehículos submarinos se ha convertido recientemente en una alternativa atractiva para la búsqueda y exploración submarina ya que son más económicos que los vehículos tripulados. En los últimos años, ha habido numerosos intentos de desarrollar vehículos submarinos para afrontar el desafío de los programas de exploración y extracción en los océanos. Recientemente, los investigadores se han centrado en el desarrollo de AUV para la recopilación de datos a largo plazo en oceanografía y gestión costera. [2]
La industria del petróleo y el gas utiliza AUV para crear 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 con una mínima alteración del medio ambiente. El AUV permite a las empresas topográficas realizar estudios precisos en áreas donde los estudios batimétricos tradicionales serían menos efectivos o demasiado costosos. Además, ahora es posible realizar estudios de tuberías posteriores al tendido, lo que incluye la inspección de las tuberías. El uso de AUV para la inspección de tuberías y de estructuras submarinas artificiales es cada vez más común. [ cita necesaria ] También se están desarrollando AUV para una posible extracción y/o recolección de rocas de nódulos polimetálicos en el fondo marino . [3]
Los científicos utilizan AUV para estudiar lagos, el océano y el fondo del océano. Se pueden conectar una variedad de sensores a 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 se pueden configurar como vehículos de remolque para entregar paquetes de sensores personalizados a ubicaciones específicas.
El Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad de Washington ha estado creando iteraciones de su plataforma Seaglider AUV desde la década de 1950. Aunque el Seaglider fue diseñado originalmente para la investigación oceanográfica, en los últimos años ha despertado mucho interés por parte de organizaciones como la Marina de los EE. UU. o la industria del petróleo y el gas. El hecho de que estos planeadores autónomos sean relativamente económicos de fabricar y operar es indicativo de que la mayoría de las plataformas AUV tendrán éxito en innumerables aplicaciones. [4] [ palabras de comadreja ] [ vago ] [ se necesita aclaración ]
Un ejemplo de un AUV que interactúa directamente con su entorno es el robot estrella de mar corona de espinas ( COTSBot ) creado por la Universidad Tecnológica de Queensland (QUT). El COTSBot encuentra y erradica la estrella de mar corona de espinas ( Acanthaster planci ), una especie que daña la Gran Barrera de Coral . Utiliza una red neuronal para identificar la estrella de mar e inyecta sales biliares para matarla. [5]
La Universidad Tecnológica de Queensland también ha desarrollado el RangerBot AUV como predecesor del COTSBot para ayudar a monitorear la Gran Barrera de Coral y los arrecifes de todo el mundo. El RangerBot fue desarrollado para ser implementado por una sola persona y ofrece visión a bordo en tiempo real para tareas de navegación, detección de obstáculos y gestión. [6]
Muchos expertos en robótica construyen AUV como pasatiempo. Existen varias competiciones que permiten a estos AUV caseros competir entre sí mientras logran objetivos. [7] [8] [9] 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 para aficionados rara vez pueden competir con los modelos comerciales en profundidad operativa, durabilidad o sofisticación. Por último, estos AUV de afición no suelen navegar por el océano, sino que funcionan 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 actuador de bloqueo de puerta automático, jeringas y un relé DPDT . [10] Algunos participantes en concursos crean diseños que se basan en software de código abierto. [11]
Los submarinos que viajan de forma autónoma a un destino mediante navegación GPS han sido fabricados por narcotraficantes ilegales. [12] [13] [14] [15]
Se han utilizado vehículos submarinos autónomos, por ejemplo el AUV ABYSS , para encontrar restos de aviones desaparecidos, por ejemplo el vuelo 447 de Air France , [16] y el AUV Bluefin-21 se utilizó en la búsqueda del vuelo 370 de Malaysia Airlines . [17]
El Plan Maestro de Vehículos Submarinos No Tripulados (UUV) de la Marina de los EE. UU. [18] identificó las siguientes misiones UUV en 2004:
Para 2014, el Plan Maestro de la Marina dividió todos los UUV en cuatro clases: [19] [ cita completa necesaria ]
En 2019, la Armada encargó cinco UUV Orca , su primera adquisición de submarinos no tripulados con capacidad de combate. [20]
En 2022-2023, durante la invasión rusa de Ucrania , las fuerzas armadas ucranianas realizaron una serie de avances en la tecnología de buques de superficie no tripulados (USV) utilizando una arquitectura de control autónomo , a veces con actualizaciones telerobóticas a mitad de la misión . Empleado en un ataque de varios USV contra buques de guerra rusos en la Base Naval de Sebastopol en octubre de 2022 [21] [22] [23] y las instalaciones navales rusas en Novorossiysk en noviembre de 2022, [24] y en agosto de 2023 hubo adicionales ataques a Novorossiysk. [25] [26] La marina rusa adaptó tanto las defensas como la estrategia de la flota como resultado de estos ataques, [27] [28] [29] de modo que, en enero de 2024, la marina ucraniana estaba desarrollando AUV para aumentar la capacidad ofensiva contra los mejorados. Defensas rusas de vehículos estadounidenses. [30]
Se han diseñado cientos de AUV diferentes en los últimos 50 años, [31] pero sólo unas pocas empresas venden vehículos en cantidades significativas. Hay alrededor de 10 empresas que venden AUV en el mercado internacional, incluidas Kongsberg Maritime , HII (anteriormente Hydroid y anteriormente propiedad de Kongsberg Maritime) [32] ), Bluefin Robotics , Teledyne Gavia (anteriormente conocida como Hafmynd), International Submarine Engineering ( ISE) Ltd, Atlas Elektronik , RTsys, [33] MSubs [34] y OceanScan. [35]
Los vehículos varían en tamaño, desde AUV ligeros y portátiles hasta 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 de los sensores; Los vehículos más pequeños se benefician significativamente de una logística más baja (por ejemplo: huella de buques de apoyo; sistemas de lanzamiento y recuperación).
Algunos fabricantes se han beneficiado del patrocinio de los gobiernos nacionales, incluidos Bluefin y Kongsberg. El mercado se divide efectivamente en tres áreas: científica (incluidas universidades y agencias de investigación), comercial offshore (energía offshore, minerales marinos, etc.) y aplicaciones relacionadas con la defensa (contramedidas contra 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 previamente a velocidades de entre 1 y 4 nudos.
Los AUV disponibles comercialmente incluyen varios diseños, como el pequeño REMUS 100 AUV desarrollado originalmente por la Institución Oceanográfica Woods Hole en los EE. UU. y ahora producido comercialmente por HII; la familia HUGIN de AUV que comprende HUGIN, HUGIN Edge, HUGIN Superior y HUGIN Endurance desarrollados por Kongsberg Maritime y el Norwegian Defense Research Establishment ; los vehículos Bluefin Robotics de 12 y 21 pulgadas de diámetro (300 y 530 mm); el Explorador de ISE Ltd.; Solus LR de Cellula Robotics; los AUV RT Sys Comet y NemoSens; Gavia, Osprey y SeaRaptor de Teledyne; y la gama de AUV L3 Harris Ocean Server Iver.
La mayoría de los AUV pertenecen a la clase de reconocimiento o AUV de crucero, y tienen forma cilíndrica o de torpedo con una hélice motorizada. Este se considera el mejor compromiso entre tamaño, volumen utilizable, eficiencia hidrodinámica y facilidad de manejo. Hay algunos vehículos que utilizan un diseño modular, lo que permite a los operadores cambiar los componentes fácilmente. Algunos desarrollos recientes se alejan de la forma cilíndrica tradicional en favor de otras disposiciones, como el híbrido Sabretooth R/AUV de Saab o el HUGIN Edge lanzado recientemente. Estos optimizan la forma según los requisitos operativos (Sabretooth) o se benefician de un rendimiento hidrodinámico de baja resistencia (HUGIN Edge).
El mercado ha madurado desde 2010 con mayor énfasis en los datos que en las características de los vehículos. Los operadores tienen más conocimiento técnico y la utilización de AUV ha aumentado proporcionalmente. Cada vez más operadores utilizan sus sistemas de forma autónoma, en lugar de supervisar los vehículos mediante un enlace acústico. En consecuencia, el procesamiento a bordo y la autonomía en misión se han convertido en características más importantes para los AUV. La mayoría de los AUV tienen lo que se considera autonomía de navegación o basada en eventos. Seguirán un plan de misión geográfica con distintos eventos para operar sensores, cambiar de rumbo o regresar a la superficie. Algunos AUV tienen autonomía adaptativa, por ejemplo, la capacidad de ajustar el rumbo para evitar obstáculos a lo largo de la ruta planificada. El estado actual de la técnica es un vehículo que recopila, procesa y actúa sobre los datos que ha adquirido sin la intervención del operador.
A partir de 2008, se está desarrollando una nueva clase de AUV que imitan diseños que se encuentran en la naturaleza. Aunque la mayoría se encuentran actualmente en sus etapas experimentales, estos vehículos biomiméticos (o biónicos ) son capaces de alcanzar mayores grados de eficiencia en propulsión y maniobrabilidad copiando diseños exitosos en la naturaleza. Dos de estos vehículos son el AquaJelly (AUV) de Festo [36] y el EvoLogics BOSS Manta Ray. [37]
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 escaneo 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 las cantidades de oxígeno disuelto .
Una demostración en la Bahía de Monterey , en California, en septiembre de 2006, demostró que un AUV de 21 pulgadas (530 mm) de diámetro puede remolcar un conjunto de hidrófonos de 400 pies (120 m) de largo manteniendo una velocidad de 6 nudos (11 km/h). Velocidad de crucero. [ cita necesaria ]
Las ondas de radio no pueden penetrar muy lejos en el agua, por lo que tan pronto como un AUV se sumerge, pierde su señal de GPS. Por lo tanto, una forma estándar para que los AUV naveguen bajo el agua es a través de navegación a estima . Sin embargo, la navegación se puede mejorar utilizando un sistema de posicionamiento acústico subacuático . Cuando se opera dentro de una red de transpondedores de línea base desplegados en el fondo del mar, esto se conoce como navegación LBL . Cuando se dispone de una referencia de superficie, como un barco de apoyo, se utiliza el posicionamiento de línea de base ultracorta (USBL) o de línea de base corta (SBL) para calcular dónde se encuentra el vehículo submarino en relación con la posición conocida ( GPS ) de la embarcación de superficie. mediante mediciones de alcance acústico y rodamiento. Para mejorar la estimación de su posición y reducir los errores en la navegación a estima (que aumentan con el tiempo), el AUV también puede salir a la superficie y tomar su propia posición de GPS. Entre las posiciones fijas y para maniobras precisas, un sistema de navegación inercial a bordo del AUV calcula a estima 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 o del lago. Normalmente, un sensor de presión mide la posición vertical (profundidad del vehículo), aunque también se pueden obtener la profundidad y la altitud a partir de mediciones DVL. Estas observaciones se filtran para determinar una solución final de navegación.
Existen un par de técnicas de propulsión para los AUV. Algunos de ellos utilizan un motor eléctrico con o sin escobillas , una caja de cambios, un sello de labio y una hélice que puede estar rodeada por una boquilla o no. Todas estas piezas integradas en la construcción del AUV participan en la propulsión. Otros vehículos utilizan una unidad de propulsión para mantener la modularidad. Dependiendo de la necesidad, el propulsor puede estar equipado con una boquilla para protección contra colisiones de la hélice o para reducir la emisión de ruido, o puede estar equipado con un propulsor de accionamiento directo para mantener la eficiencia al más alto nivel y los ruidos al más bajo. [38] 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. [ cita necesaria ]
Los planeadores submarinos no se propulsan directamente. Al cambiar su flotabilidad y equilibrio, se hunden y ascienden repetidamente; Las "alas" aerodinámicas convierten este movimiento hacia arriba y hacia abajo en movimiento hacia adelante. El cambio de flotabilidad generalmente se realiza mediante el uso de una bomba que puede aspirar o expulsar agua. El paso del vehículo se puede controlar moviendo el centro de masa del vehículo. En el caso de los planeadores Slocum, esto se hace internamente moviendo las baterías, que están montadas sobre un tornillo. [39] Debido a su baja velocidad y baja potencia electrónica, la energía requerida para realizar ciclos de estados de compensación es mucho menor que la de los AUV normales, y los planeadores pueden tener autonomías de meses y alcances transoceánicos. [ cita necesaria ]
Dado que las ondas de radio no se propagan bien bajo el agua, muchos AUV incorporan módems acústicos para permitir el comando y control remoto. Estos módems suelen utilizar técnicas de comunicación y esquemas de modulación propietarios. En 2017 la OTAN ratificó el estándar ANEP-87 JANUS para comunicaciones submarinas. Este estándar permite enlaces de comunicaciones de 80 BPS con formato de mensajes flexible y extensible. [ cita necesaria ] Se están explorando técnicas de comunicación alternativas, incluidas técnicas ópticas, inductivas y basadas en RF, que pueden combinarse en soluciones multimodales. [40] También se están realizando evaluaciones sobre nuevas técnicas de comunicación que pueden utilizar la infraestructura como vía de comunicación para proporcionar vías de comunicación alternativas y oportunidades desde los vehículos. [41]
La mayoría de los AUV que se utilizan hoy en día funcionan con baterías recargables ( iones de litio , polímero de litio , hidruro metálico de níquel, etc.) y se implementan con algún tipo de sistema de gestión de baterías . Algunos vehículos utilizan baterías primarias que proporcionan quizás el doble de resistencia, a un costo adicional sustancial por misión. Anteriormente, algunos sistemas utilizaban semipilas de combustible a base de aluminio , pero éstas requieren un mantenimiento sustancial, requieren recargas costosas y producen productos de desecho que deben manejarse de manera segura. Una tendencia emergente es combinar diferentes sistemas de baterías y energía con supercondensadores . [ cita necesaria ]
