Un vehículo submarino autónomo ( AUV ) es un robot que se desplaza bajo el agua sin necesidad de intervención continua de un operador. Los AUV forman parte de un grupo más amplio de sistemas submarinos conocidos como vehículos submarinos no tripulados , una clasificación que incluye los vehículos submarinos no autónomos operados a distancia (ROV), controlados y propulsados desde la superficie por un operador/piloto a través de un cordón umbilical o mediante control remoto. En aplicaciones militares, a un AUV se le suele denominar vehículo submarino no tripulado ( UUV ). Los planeadores submarinos son una subclase de los AUV.
El primer AUV fue desarrollado en el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad de Washington en 1957 por Stan Murphy, Bob Francois y, más tarde, Terry Ewart. El "vehículo submarino autopropulsado de investigación", o SPURV , se utilizó para estudiar la difusión, la transmisión acústica y las estelas submarinas.
Otros AUV tempranos fueron desarrollados en el Instituto Tecnológico de Massachusetts en la década de 1970. Uno de ellos se exhibe en la Galería Náutica Hart del MIT. Al mismo tiempo, también se desarrollaron AUV en la Unión Soviética [1] (aunque esto no se conoció hasta mucho después).
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 abundantes intentos de desarrollar vehículos submarinos para afrontar el reto de los programas de exploración y extracción en los océanos. Recientemente, los investigadores se han centrado en el desarrollo de vehículos submarinos autónomos para la recopilación de datos a largo plazo en oceanografía y gestión costera. [2]
La industria del petróleo y el gas utiliza AUV para realizar 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 de investigación realizar estudios precisos de áreas donde los estudios batimétricos tradicionales serían menos efectivos o demasiado costosos. Además, ahora es posible realizar estudios posteriores a la colocación de tuberías, lo que incluye la inspección de tuberías. El uso de AUV para la inspección de tuberías y la inspección de estructuras submarinas artificiales es cada vez más común. [ cita requerida ] También se están desarrollando AUV para la posible minería del fondo marino y/o la recolección de rocas nódulos polimetálicas . [3]
Los científicos utilizan vehículos submarinos autónomos para estudiar lagos, océanos y fondos oceánicos. Se pueden colocar diversos sensores en los vehículos submarinos autónomos para medir la concentración de diversos elementos o compuestos, la absorción o reflexión de la luz y la presencia de vida microscópica. Algunos ejemplos son los sensores de conductividad, temperatura y profundidad (CTD), los fluorómetros y los sensores de pH . Además, los vehículos submarinos autónomos 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 un indicio de que la mayoría de las plataformas AUV tendrán éxito en una gran variedad de aplicaciones. [4] [ palabras ambiguas ] [ vago ] [ aclaración necesaria ]
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 las estrellas de mar corona de espinas ( Acanthaster planci ), una especie que daña la Gran Barrera de Coral . Utiliza una red neuronal para identificar a la estrella de mar e inyecta sales biliares para matarla. [5]
La Universidad Tecnológica de Queensland también ha desarrollado el AUV RangerBot 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 su despliegue 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 que estos AUV caseros compitan 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 de aficionados rara vez pueden competir con los modelos comerciales en profundidad operativa, durabilidad o sofisticación. Finalmente, estos AUV de aficionados generalmente no son oceánicos, ya que 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 actuador de bloqueo de puerta automático, jeringas y un relé DPDT . [10] Algunos participantes en competiciones 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, como por ejemplo el AUV ABYSS , para encontrar restos de aviones desaparecidos, como 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 Armada de los EE. UU. [18] identificó las siguientes misiones UUV en 2004:
En 2014, el Plan Maestro de la Armada dividió todos los UUV en cuatro clases: [19] [ cita completa necesaria ]
En 2019, la Armada ordenó cinco UUV Orca , su primera adquisición de submarinos no tripulados con capacidad de combate. [20]
En 2022-23, durante la invasión rusa de Ucrania , las fuerzas armadas ucranianas realizaron una serie de avances en la tecnología de buques de superficie sin tripulación (USV) utilizando una arquitectura de control autónomo , a veces con actualizaciones telerrobóticas a mitad de la misión . Se emplearon en un ataque con varios USV a buques de guerra rusos en la base naval de Sebastopol en octubre de 2022 [21] [22] [23] y en las instalaciones navales rusas en Novorossiysk en noviembre de 2022, [24] y en agosto de 2023 hubo ataques adicionales a Novorossiysk. [25] [26] La armada 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 armada ucraniana estaba desarrollando AUV para aumentar la capacidad ofensiva contra las defensas mejoradas de los USV rusos. [30]
Se han diseñado cientos de AUV diferentes en los últimos 50 años, [31] pero solo unas pocas empresas venden vehículos en cantidades significativas. Hay alrededor de 10 empresas que venden AUV en el mercado internacional, entre ellas 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 vehículos aéreos no tripulados ligeros y transportables por personas 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 de sensores; los vehículos más pequeños se benefician significativamente de una logística menor (por ejemplo, huella de buque de apoyo; sistemas de lanzamiento y recuperación).
Algunos fabricantes se han beneficiado del patrocinio de los gobiernos nacionales, entre ellos Bluefin y Kongsberg. El mercado está dividido en tres áreas: científica (que incluye universidades y agencias de investigación), comercial en alta mar (energía marina, minerales marinos, etc.) y aplicaciones relacionadas con la defensa (contramedidas para minas, preparación del espacio de batalla). La mayoría de estas funciones 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 AUV REMUS 100 desarrollado originalmente por Woods Hole Oceanographic Institution 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 Norwegian Defence Research Establishment ; los vehículos Bluefin Robotics de 12 y 21 pulgadas de diámetro (300 y 530 mm); el Explorer de ISE Ltd.; el Solus LR de Cellula Robotics; los AUV Comet y NemoSens de RT Sys; los 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 exploración o AUV de crucero, con forma cilíndrica o de torpedo con una hélice propulsada. Esta se considera la mejor combinación entre tamaño, volumen utilizable, eficiencia hidrodinámica y facilidad de manejo. Hay algunos vehículos que utilizan un diseño modular, lo que permite que los operadores cambien los componentes fácilmente. Algunos desarrollos recientes se alejan de la forma cilíndrica tradicional en favor de otras configuraciones, como el R/AUV híbrido Sabretooth de Saab o el HUGIN Edge lanzado recientemente. Estos optimizan la forma según los requisitos operativos (Sabretooth) o para beneficiarse de un rendimiento hidrodinámico de baja resistencia (HUGIN Edge).
El mercado ha madurado desde 2010 y ahora se hace más hincapié en los datos que en las características del vehículo. Los operadores tienen más conocimientos técnicos y el uso de los 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 la misión se han convertido en características más importantes para los AUV. La mayoría de los AUV tienen lo que se considera una autonomía de navegación o basada en eventos. Seguirán un plan de misión geográfica con eventos distintos 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 vehículos autónomos que imitan 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 propulsión y maniobrabilidad al copiar diseños exitosos de la naturaleza. Dos de estos vehículos son el AquaJelly (AUV) de Festo [36] y el Manta Ray de EvoLogics BOSS. [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 barrido lateral y otros , magnetómetros , termistores y sondas de conductividad. Algunos AUV están equipados con sensores biológicos, incluidos 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, mostró que un AUV de 21 pulgadas de diámetro (530 mm) puede remolcar un conjunto de hidrófonos de 400 pies de largo (120 m) mientras mantiene una velocidad de crucero de 6 nudos (11 km/h). [ cita requerida ]
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 mediante la estima . Sin embargo, la navegación se puede mejorar utilizando un sistema de posicionamiento acústico submarino . Cuando se opera dentro de una red de transpondedores de línea 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 el posicionamiento de línea base ultracorta (USBL) o línea 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 y rumbo acústicos. Para mejorar la estimación de su posición y reducir los errores en la estima (que aumentan con el tiempo), el AUV también puede salir a la superficie y tomar su propia posición GPS. Entre las correcciones de posición y para maniobras precisas, un sistema de navegación inercial a bordo del AUV calcula mediante estima la posición, la aceleración y la velocidad del AUV. Se pueden realizar estimaciones utilizando datos de una unidad de medición inercial y se pueden mejorar agregando un registro de velocidad Doppler (DVL), que mide la velocidad de desplazamiento sobre el fondo del mar o 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 a partir de mediciones DVL. Estas observaciones se filtran para determinar una solución de navegación final.
Existen un par de técnicas de propulsión para los vehículos aéreos no tripulados (UAV). Algunas de ellas utilizan un motor eléctrico con o sin escobillas , una caja de cambios, un sello de labios 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 la 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 nivel. [38] Los propulsores avanzados de los AUV 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 requerida ]
Los planeadores submarinos no se propulsan directamente a sí mismos. Al cambiar su flotabilidad y equilibrio, se hunden y ascienden repetidamente; las "alas" aerodinámicas convierten este movimiento hacia arriba y hacia abajo en un movimiento hacia adelante. El cambio de flotabilidad se realiza normalmente mediante el uso de una bomba que puede absorber o expulsar agua. El cabeceo 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 en un tornillo. [39] Debido a su baja velocidad y a su electrónica de bajo consumo, la energía necesaria para cambiar de estado de equilibrio es mucho menor que en el caso de los AUV normales, y los planeadores pueden tener autonomías de meses y alcances transoceánicos. [ cita requerida ]
Como las ondas de radio no se propagan bien bajo el agua, muchos AUV incorporan módems acústicos para permitir el comando y control remotos. Estos módems suelen utilizar técnicas de comunicación patentadas y esquemas de modulación. 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 requerida ] 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 una ruta de comunicación para proporcionar rutas y oportunidades de comunicación alternativas desde los vehículos. [41]
La mayoría de los vehículos aéreos no tripulados que se utilizan en la actualidad funcionan con baterías recargables ( de iones de litio , de polímero de litio , de níquel e hidruro metálico , etc.) y se implementan con algún tipo de sistema de gestión de baterías . Algunos vehículos utilizan baterías primarias que proporcionan quizás el doble de autonomía, con un coste adicional sustancial por misión. Anteriormente, algunos sistemas utilizaban semipilas de combustible basadas en aluminio , pero estas requieren un mantenimiento sustancial, requieren recargas costosas y producen residuos que deben manipularse de forma segura. Una tendencia emergente es combinar diferentes baterías y sistemas de energía con supercondensadores . [ cita requerida ]
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