monitorización y control de un ferry de alta velocidad utilizando

MONITORIZACIÓN Y CONTROL DE UN FERRY DE ALTA
VELOCIDAD UTILIZANDO SISTEMAS DISTRIBUIDOS
Jose M. Giron-Sierra
Joaquín Recas
Segundo Esteban
J.M. De la Cruz
Dep.. A.C.Y.A., Fac. CC. Fisicas. Universidad Complutense de Madrid
Ciudad Universitaria, 28040 Madrid. España
e-mail: gironsi@dacya.ucm.es
Jose M. Riola
Canal de Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo
El Pardo, Madrid. España
Resumen
La investigación se centra en el control y
monitorización en alto grado de detalle de Ferrys de
alta velocidad. El objetivo del control es mejorar el
confort en el barco, reduciendo los movimientos de
arfada, cabeceo y balanceo, para ello se ha
desarrollado un sistema de muestreo y control
autónomo. La complejidad del sistema -tenemos que
conseguir medir diferentes señales en seis grados de
libertad y controlar varios actuadores de forma
independiente- nos ha llevado a diseñar una
electrónica distribuida a bordo. Esta electrónica
consta principalmente de un PC empotrado y un bus
CAN que conecta los diferentes sensores y
actuadores y un emisor-receptor para la
comunicación con el sistema de monitorización y
órdenes de tierra. Al ser un sistema experimental se
ha incorporado la posibilidad de controlar el barco
de forma remota sobre los actuadores evitando
posibles caídas del sistema electrónico de a bordo.
Se ha desarrollado un software de monitorización en
alto grado de detalle utilizando Open-GL para
conocer en directo que está ocurriendo en los
experimentos. Actualmente se están realizando
pruebas en el CEHIPAR para calibrar la electrónica
y el software de toma de datos, con el fin de poder
realizar pruebas en aguas abiertas posteriormente.
El propósito de este artículo es presentar este
sistema y su marco experimental.
1
INTRODUCCIÓN
Los problemas en la navegación han evolucionado al
mismo tiempo que la tecnología. La aparición de
barcos rápidos destinados al transporte de pasajeros
destaca nuevos problemas para resolver. Algunos de
estos barcos trabajan en el modo efecto superficie,
apareciendo en este caso movimientos más
acentuados que terminan degradando el confort de
los pasajeros. Estos movimientos pueden incluso
generar situaciones que ponen en duda la seguridad
del barco. Al dedicarse al transporte de pasajeros es
necesario hacer un exhaustivo estudio a priori,
teórico y experimental, del comportamiento del
barco, y si es necesario diseñar un sistema de control
que mejore el confort y la seguridad.
En anteriores trabajos [1] se hizo un modelado y
control sobre los movimientos de arfada y cabeceo.
Para ello se construyó una maqueta a escala 1/25 del
barco (figura 1) y se realizaron pruebas en el
CEHIPAR (figura 2) para modelar y validar los
controladores diseñados.
Palabras Clave: Bus de campo, control de barcos,
sistemas empotrados, monitorización remota.
Figura 1: Fotografía de la maqueta fijada al carro
en caso de que el sistema de a bordo no funcione
correctamente o el experimento corra peligro.
Este artículo muestra la problemática a la que nos
enfrentamos y como la afrontamos desarrollando un
nuevo sistema experimental. Posteriormente se entra
en detalles del sistema de abordo y del de tierra.
Finalmente se presentan algunas conclusiones y
futuros trabajos.
Figura 2: Canal de Oleajes del CEHIPAR
Estas pruebas se realizaron manteniendo libres
solamente los movimientos de arfada y cabeceo, los
otros grados de libertad estaban fijados por el carro
que arrastraba el barco. En este trabajo se comprobó
que cuando no hay control ni actuadores se pueden
desacoplar estos movimientos del resto. Pero cuando
se aplica control, debido a asimetrías, aparecen
acoples entre los movimientos longitudinales y
laterales del barco. Se realizaron experimentos
liberando el grado de balanceo y con oleajes
laterales. Se observó que es necesario reducir la
escala de la maqueta a 1/40 para poder realizar
experimentos en el canal y además la maqueta debe
de ser autónoma para poder realizar experimentos en
aguas abiertas, ya que el ancho del canal de olas no
es suficiente para realizar experimentos de control
con oleajes laterales a altas velocidades.
Esta nueva maqueta ha sido equipada con
propulsores autónomos, sensores, actuadores, unidad
de control y tratamiento de datos, varios módulos de
comunicaciones de comunicaciones, etc.
A bordo se ha desarrollado un sistema de muestreo y
control distribuido basado en un PC-empotrado y un
bus CAN que conecta los diferentes sensores y
actuadores y un emisor-receptor para la
comunicación con el sistema de monitorización y
ordenes de tierra. Al ser un sistema experimental se
ha incorporado la posibilidad de controlar el barco de
forma remota sobre los actuadores evitando posibles
caídas del sistema electrónico de a bordo.
El sistema de tierra consiste en un PC portátil
conectado a un emisor-receptor de paquetes digitales,
y en una emisora de radio-control. El PC portátil se
encarga de monitorizar los experimentos y de dar
órdenes al sistema de a bordo. Para la monitorización
se ha utilizado como interface gráfica Open-GL
pudiéndose mostrar con alto grado de detalle lo que
está ocurriendo en el experimento. La emisora de
radio-control es una alternativa paralela y con mayor
prioridad para gobernar el comportamiento del barco
2
DECRIPCION DE LA INVESTIGACION EXPERIMENTAL
2.1
OBJETIVOS
El objetivo de la investigación fue propuesto por
IZAR (antes Bazán). Se trata de suavizar los
movimientos de una serie de ferrys rápidos de
reciente construcción, utilizando para ello actuadotes
móviles sumergidos. Algunos de tales movimientos,
con efectos tales como pantocazos o agua en
cubierta,
pueden
incluso
suponer
riesgos
estructurales, fatiga de materiales, o problemas de
navegación. En lo que concierne a los pasajeros, el
confort, que es un importante factor económico en
nuestros días, se ve degradado especialmente por los
movimientos verticales. En concreto, los modelos
matemáticos de mareo [5,6] muestran que se trata de
un fenómeno acumulativo causado por aceleraciones
oscilatorias verticales con una frecuencia en torno a 1
rad/seg.
Uno de los ferrys rápidos de la serie fue seleccionado
para establecer un caso tangible para la investigación
experimental. Se trata de un ferry rápido bastante
grande, con las siguientes características: 110 m. de
largo, 1250 pasajeros, monocasco en aluminio, capaz
de superar los 40 nudos. Este barco emplea
“waterjets” para propulsión y rumbo (no usa timón).
En la actualidad rinde servicio en el estrecho de
Skagerrat. La distribución interna del barco, con un
amplio supermercado en el centro, hace que los
pasajeros estén sentados cerca de las bordas o de la
proa. Precisamente estos sitios son los que
experimentan mayores movimientos verticales.
De acuerdo con el consejo técnico de la empresa, se
seleccionaron ciertos actuadores móviles: dos aletas a
popa, dos aletas laterales y un “T-foil” bajo la quilla
y cerca de la proa. Las aletas laterales son de uso
bastante generalizado para compensar movimientos
de balanceo. Las aletas a popa son menos
convencionales (se emplean en pequeños yates).
Tanto las aletas a popa como el T-foil tienen como
misión principal atenuar el movimiento de cabeceo.
Muy pocos barco emplean T-foil, porque puede
causar problemas de inestabilidad. Cada uno de los
actuadores es esencialmente un ala sumergida (de
hecho con un perfil estandar según las categorías
aeronáuticas). Tales actuadores deben moverse
(rotaciones) para ir contrarrestando, una a una, cada
ola que el barco encuentra en su camino. El
movimiento de los actuadotes suele llevarse a cabo
mediante cilindros hidráulicos.
El problema principal, en lo que a nosotros respecta,
es diseñar un control óptimo, para mover los
actuadotes de la forma más efectiva, teniendo en
cuenta el comportamiento dinámico del barco.
2.2
METODOLOGÍA
La investigación debe considerar seis movimientos
del barco. Tres son traslaciones, y las otras tres
rotaciones. Es una cuestión en cierto modo parecida a
la de los aviones, pero con una diferencia
fundamental: el barco está flotando en el agua. Las
aceleraciones verticales, causantes del mareo, se
deben principalmente al cabeceo, balanceo y arfada.
Los modelos matemáticos de los movimientos del
barco [4,5] suelen acudir a simplificaciones derivadas
de las simetrías, y normalmente consideran que las
seis ecuaciones pueden tratarse como dos conjuntos
desacoplados de tres ecuaciones cada uno (uno de
ellos está constituido por balanceo, guiñada y deriva
lateral, y el otro por los restantes tres movimientos).
El escenario deseable para diseño de control es poder
disponer de un buen modelo matemático de la
dinámica de la planta a ser controlada. Además, se
desea que este modelo esté en forma de variables de
estado o, de ser posible, en forma de funciones de
transferencia.
Una clave fundamental para esta investigación ha
sido el apoyo experimental brindado por el Canal de
Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo
(CEHIPAR). En este tipo de instalaciones
experimentales, usualmente se trata de emplear
réplicas de barco a escala, para estudios de
comportamiento en la mar. Por ejemplo, empleando
un generador de olas. Un tipo de olas que puede
generarse es un tren de olas regulares, con cierto
tamaño de interés. Estas olas pueden considerarse, en
primera aproximación, como una entrada sinusoidal a
la planta (el barco). A partir de aquí puede plantearse
el uso de funciones de transferencia para elaborar el
modelo del comportamiento dinámico de el barco,
para condiciones fijas de rumbo y velocidad.
Los primeros pasos de la investigación se dieron
considerando el caso más sencillo, que es el de
movimientos verticales inducidos por mares de proa.
En estas condiciones no tenemos balanceo, ni deriva
lateral ni guiñada. Se hicieron varias series de
experimentos para obtener datos en vistas a
establecer un modelo, utilizando una réplica a escala
1/25 (4 m. de largo) del barco real. Se dedujeron
modelos para velocidades de 20, 30 y 40 nudos. Con
estos modelos, se desarrolló una herramienta para
diseño de control, en SIMULINK. Se trata de un
entorno de simulación que permite comprobar las
características previstas de diversos diseños (por
ejemplo un PID optimizado, un control robusto, etc.).
Con este entorno se seleccionaron los mejores
candidatos para ser utilizados experimentalmente.
Así se efectuó una segunda generación de series
experimentales, probando diversos controles en la
réplica a escala. Los resultados obtenidos en esta
etapa inicial de la investigación fueron
significativamente positivos [1,2,3]. En particular, se
evita completamente los pantocazos y el agua sobre
cubierta. Además se reduce sustancialmente el mareo
para las condiciones normales de operación del
barco.
A lo largo de la investigación se emplearon olas
regulares para elaborar los modelos, y después se
utilizaron olas irregulares (de acuerdo con las
características oceánicas, [5]) para validar los
modelos y estudiar la eficacia de las diversas
soluciones de control. Existe un conjunto tipificado
de estados de la mar, desde muy tranquilo (SSN0,
“Sea State Number 0”) hasta enormemente agitado
(SSN9). En nuestros estudios se ha trabajado con
estados SSN4, 5 y 6. Este último estado puede
implicar olas de 5 m. de altura, y no es muy
recomendable para navegar con pasajeros; pero ha
interesado estudiarlo como caso límite para que
pueda notarse el efecto de los actuadores (debe
tenerse en cuenta que el calado del ferry es de 2.5
m.).
En el momento presente, nuestra investigación
afronta el caso más general: cualquier rumbo con
respecto a las olas, y la atenuación de todos los
movimientos. El problema de estabilización se hace
mucho más complicado. Deben hacerse nuevos
experimentos para establecer modelos y estudiar
diseños de control. Como detallaremos a
continuación, esto ha implicado la creación de una
nueva réplica a escala, dotada de prestaciones más
potentes. En concreto, el sistema de a bordo resulta
de una complejidad apreciable.
2.3
DETALLES EXPERIMENTALES
El Canal de Experiencias Hidrodinámicas de El
Pardo dispone de dos instalaciones importantes para
nuestra investigación. En primer lugar, un canal de
aguas tranquilas de 300 m. de largo. En él pueden
realizarse pruebas de resistencia al avance, y también
medir el efecto de las alas de los actuadores para
diversos ángulos de ataque. En segundo lugar, una
piscina de 150 m. de largo, por 30 m. de ancho, por
5 m. de profundo. La piscina está dotada de un
generador programable de olas. El frente de olas
viaja a lo largo de la piscina. Se dispone de un carro
móvil (una especie de grúa puente, en la que está
instalado todo un laboratorio móvil) que permite
arrastrar las réplicas en la piscina, con un
movimiento programable similar a un gigantesco
plotter. El laboratorio a bordo del carro está
conectado a un conjunto de sensores a bordo de la
réplica, y también toma videos de su comportamiento
ante el oleaje.
Durante los primeros estudios, con mares de proa,
toda la longitud de la piscina fue de utilidad. Se
empleó el carro de arrastre, y todo el sistema de
medidas conectado al laboratorio móvil.
En el estadio actual de la investigación, se trata de
estudiar cualquier rumbo respecto a las olas. Sucede
entonces que los 30 m. de ancho de la piscina se nos
queda corto (se trata de un barco de alta velocidad;
en el peor de los casos considerados, sólo podemos
obtener 7 segundos útiles de datos con oleaje, si
empleamos la réplica de 4 m. de longitud). Por tal
motivo, se decidió emplear una escala de 1/40 (la
mínima considerada fiable por los expertos).
Además, es conveniente considerar pasar a ámbitos
de experimentación más amplios, como pueden ser
pantanos o lagos (si bien existen evidentes problemas
en
cuanto
a
controlar
las
condiciones
experimentales).
Cabe esperar algunos problemas con los actuadotes.
Por ejemplo, la compensación de balanceo mediante
aletas laterales, puede implicar una desviación del
rumbo. También, asimetrías de los actuadotes
pueden causar escora y, de nuevo, dificultades para
mantener el rumbo. Si queremos estudiar estos
fenómenos, necesitamos una réplica en libertad (no
atada a un carro). Así pues, se necesita una maqueta
autónoma. No habrá cables que conecten la maqueta
a sistemas externos de monitorización y control.
Para efectuar los nuevos experimentos, se ha
construido una nueva réplica (1/40) y se ha
desarrollado un nuevo sistema de monitorización y
control, con comunicación por radio con el exterior.
El concepto de este sistema es modular, para uso
“universal”: es decir, utilizable en cualquiera de las
réplicas manejadas por CEHIPAR para sus
actividades.
2.4
FUNCIONALIDAD DE LOS SISTEMAS
ELECTRONICOS
(A
BORDO
Y
TIERRA)
Se ha desarrollado un sistema electrónico completo
de a bordo, para monitorización y control de una
réplica autónoma. Además, se ha desarrollado otro
sistema para apoyo experimental (ESS) desde fuera
de la réplica. Las misiones del sistema de a bordo son
las siguientes:
• Toma de datos. Incluye acondicionamiento
de señales y su grabación. Se toma
información de todos los sensores de la
réplica y a todo lo largo de cada
experimento
• Control de los actuadores
• Transmisión de datos a distancia, vía radio
por paquetes de datos digitales. En tiempo
real.
• Transmitir la grabación íntegra de datos al
final de los experimentos, por el mismo
sistema de radio.
• Obedecer a órdenes dadas por el sistema de
apoyo experimental (ESS).
Se ha definido un protocolo para la comunicación por
radio entre la réplica y el sistema de apoyo
experimental. Este sistema de apoyo puede estar
situado en la orilla, o quizá en un bote. Hemos
podido observar que la investigación acerca de
réplicas autónomas puede añadir prestaciones muy
interesantes a las instalaciones tipo CEHIPAR. Por
tal motivo, la arquitectura del sistema de a bordo es
modular y flexible. La idea es ofrecer una especie de
sistema “universal” de monitorización y control,
disponible para su aplicación fácil y rápida a
cualquier réplica.
Desde la perspectiva de la estructura funcional y del
software, un concepto modular es también útil por
motivos de flexibilidad y aplicación fácil. La
comunicación sin hilos prepara el camino para el
empleo de internet. Se trata de una idea importante
(estamos hablando de potenciar todavía más una
instalación como es CEHIPAR): experimentos a
distancia.
3
SISTEMA DE A BORDO
3.1
CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA
Según hemos comentado, se tomó la decisión de
construir una nueva maqueta a escala 1/40, el mínimo
tamaño que aseguraba la validez de los resultados.
Como el Ferry real está fabricado en aluminio, el
peso de la maqueta deberá ser reducido, menor de 16
Kilogramos. En la práctica este punto resulta un
desafío, por lo que ha habido que emplear técnicas
sofisticadas en la construcción de un casco tan ligero.
Por lo tanto, debemos tener en cuenta que existen
importantes limitaciones para el peso y consumo de
los sistemas de abordo, ya que la alimentación
necesaria para los equipos deberá realizarse a través
de baterías especiales situadas dentro de la maqueta,
con su consiguiente aumento de peso.
La maqueta está dotada de dos waterjets, encargados
del rumbo mediante un sistema de orientación de los
chorros de agua, lo que hace innecesaria la inclusión
de un timón. Los waterjets emplean dos motores de
continua de gran potencia, pudiendo llegar a
consumir 30 Amperios con una alimentación de 6
Voltios. Se han incluido pequeñas aletas traseras y
laterales, además de un T-Foil delantero, gobernadas
a través de un sistema de servomotores de alta
velocidad. Uno de los sensores del sistema consiste
en una brújula digital, muy sensible a los campos
magnéticos, por lo que hubo de diseñar un sistema de
aislamiento antimagnético para evitar la influencia de
los motores, ya que estos generan un gran campo
magnético.
La Figura 3 representa un diagrama de bloques que
describe el sistema de a bordo de manera general.
Uno de los bloques representa el sistema de sensores
que nos permite recoger la información necesaria
para el sistema de control. Este sistema, la Unidad
Central, está compuesto por un computador
empotrado de bajo consumo encargado de generar las
rutinas de control, almacenar datos y coordinar todos
los bloques. Por lo tanto, la Unidad Central genera
las órdenes que irán al bloque de los actuadores,
encargadas de ponerlas en práctica. Por último
tenemos el bloque encargado de la comunicación vía
radio. Nótese además, que el sistema posee otro
bloque que permite la recepción de paquetes de
control de alta prioridad, que nos permite parar el
experimento en curso y recuperar la maqueta en
casos excepcionales.
Durante el curso de un experimento, el sistema es
capaz de medir los movimientos y aceleraciones en
seis grados de libertar. Varias de las medidas
realizadas son redundantes por diversas razones,
como pueden ser: seguridad, filtrado de componentes
continuas, constantes de tiempo de los sensores, etc.
3.2
El corazón del sistema de comunicación por radio
está compuesto por el controlador RPC (Radio
Packet Controller), de Radiometrix. Funciona como
transmisor/receptor digital de RF. Consiste en un
pequeño módulo metálico que funciona con una
alimentación de 5V y unos pocos miliamperios de
consumo. Empaqueta los datos en mensajes de 1 a 27
bytes de longitud con una velocidad de transmisión
de 40 kbits/s, empleando un protocolo de transmisión
robusto.
Situado en el borde del canal, o a cierta distancia de
la maqueta, se colocará el sistema ESS. Este sistema
está compuesto por un ordenador personal y un
módulo RPC asistido por un microcontrolador, que
se comunicarán entre si a través de un enlace RS232.
Se ha definido un conjunto de estados entre la
maqueta y el sistema ESS preparados para la
realización de experimentos, contemplando además
los posibles estados de error o de mal
funcionamiento. Se ha desarrollado pues un sistema
capaz de realizar la monitorización y controlar tanto
la secuencia de experimentación como la
recuperación del sistema ante posibles eventos
inesperados.
Una de las principales características del sistema de a
bordo consiste en el sistema de almacenamiento
basado en una tarjeta Flash, como las empleadas en
las cámaras digitales. Este sistema permite guardar
toda la información relevante durante horas de
experimentación, pudiendo almacenar hasta 1GB. El
ancho de banda del enlace radio permite el envío en
tiempo real de una serie de datos, los más relevantes,
durante la ejecución del experimento, lo que nos
permite realizar la monitorización en tiempo real. Al
término de la sesión de experimentación, el sistema
ESS nos permite recuperar los datos almacenados en
la Flash. Otra alternativa consiste en coger la
información directamente de la tarjeta Flash.
3.3
Comunicaciones
Communications
Communications
Control
remoto
High
HighPriority
Priority
alta prioridad
Remote
RemoteControl
Control
Unidad
Central
Central
central
Unit
Unit
Sensores
Sensors
Sensors
Actuadores
Actuators
Actuators
Figura 3: Principales funciones del sistema de
abordo.
SISTEMA DE COMUNICACIONES
ARQUITECTURA DEL SISTEMA
El núcleo del sistema de a bordo está formado por un
ordenador empotrado. Dicho ordenador ha sido
elegido utilizando el siguiente criterio: tamaño
reducido, ligero, bajo consumo, elevada capacidad de
cálculo. Tras considerar varias alternativas se escogió
el Tern 586 Engine.
La Figura 4 muestra un diagrama con la arquitectura
del sistema de a bordo. Consiste en siete nodos
conectados entre sí vía bus CAN, cada nodo está
gobernado por un microcontrolador PIC18F458, que
incluye un módulo capaz de implementar el
protocolo CANbus . El ordenador empotrado se
comunica con el bus a través de un microcontrolador.
El motivo de la utilización del bus CAN se justifica
debido a la complejidad del sistema y a las largas
distancias que pueden separar los nodos en su
aplicación para barcos reales. El bus CAN ha sido
probado con buenos resultados en coches y en la
actualidad hay un gran número de fabricantes que
ofrecen componentes para la creación de sistemas
basados en CAN.
Existe solo un sistema a bordo no conectado al bus
CAN, la unidad inercial de Crossbow. Esta se
conecta directamente a los canales A/D del PC
empotrado por razones de velocidad y nos ofrece
datos sobre los seis grados de libertad de forma
rápida y fiable. Debemos destacar que la unidad
inercial tiene un peso de 2kg y un consumo de 1
amperio.
petición de datos a los nodos CAN realizado por el
PC empotrado en cada periodo de muestreo,
seguidamente se realizan los cálculos pertinentes y se
mandan las órdenes de control a los actuadores. Se ha
desarrollado un módulo encargado de la interfaz con
el CAN, lo que permite la interacción entre el
programa de monitorización y control y el bus.
Node
NodeTH
TH
Radio
Comm.
Node
NodeTH
TH
T-foil
Compass
Node
NodeTH
TH
CANbus
En la popa de la nave hay dos waterjets, dos
servomotores para la orientación de los waterjets, dos
servos para invertir el flujo de agua, pensados para la
marcha atrás, y dos servos para mover las aletas.
Utilizando PWM se puede por lo tanto controlar la
velocidad y orientación de los waterjets. Todos estos
servomotores son controlados utilizando dos nodos
CAN.
Node
NodeCA
CA
PC
PC
IU
Fins
Acceler.
Node
NodeCS
CS
Inclin.
Speed
Wave
Node
NodeTA
TA
Flaps
Turbines
Node
NodeTH
TH
Heading
Reverse
Figura 4: Arquitectura del sistema de abordo.
El sistema posee tres acelerómetros. El acelerómetro
situado en la proa se encarga de realizar medidas
sobre las aceleraciones que sufren los pasajeros
debidas a los movimientos de arfada y de cabeceo
producidos principalmente por el mar de proa. Los
otros dos se encuentran situados a babor y a estribor,
y serán los encargados de las medidas de las
aceleraciones verticales producidas por los frentes de
olas de amura, que producen los movimientos de
balanceo. Un nodo CAN situado cerca del centro del
barco será el encargado de realizar el muestreo de los
datos de los tres acelerómetros y de los movimientos
de las aletas laterales.
Otro nodo CAN, situado también cerca del centro de
la maqueta, se encarga de la recogida de datos de otro
tipo de sensores, como pueden ser: inclinómetros,
medidores de velocidad, sensores del nivel de las olas
con respecto al barco. Hay dos nodos más situados
cerca de la proa, uno encargado de la comunicación
por radio y otro de la toma de datos de la brújula
digital y el movimiento del T-foil.
Una parte de la tarea de los microcontroladores
consiste en simular las características reales de los
fuelles hidráulicos que serán los encargados del
movimiento de las aletas.
La utilización de un bus CAN implica el desarrollo
de un protocolo de comunicación encargado de
asignar un identificador a cada mensaje. En nuestro
sistema se emplea un método sencillo basado en la
Una de las grandes ventajas de la utilización de
sistemas basados en bus consiste en que una vez
identificadas las distintas partes del sistema, sistema
de comunicación por RF, lectura de sensores,
movimiento de servomotores, etc., estas puedes ser
ubicadas en distintas partes del barco, pudiendo estar
dichas partes a relativamente larga distancia. Por
ejemplo, la brújula digital puede estar situada lejos de
campos magnéticos producidos por los componentes
y el envío de datos por radio puede ser totalmente
independiente de la toma de dados.
4
SISTEMA DE TIERRA
Utilizando herramientas tan potentes como Builder
C++, se ha podido desarrollar un sistema de
monitorización basado en Windows capaz de mostrar
en pantalla toda la información enviada por la
maqueta al ESS. Uno de los motivos que hace
necesaria la monitorización consiste en comprobar el
correcto funcionamiento de los sensores y en que el
experimento se está realizando correctamente.
Otra funcionalidad del sistema ESS consiste en la
toma de los datos almacenados en la memoria Flash
de PC empotrado una vez finalizada la sesión de
experimentación. Estos datos serán los susceptibles
de ser analizados.
El programa de monitorización está basado en un
núcleo central encargado tanto de la coordinación de
tareas como de suministrar los datos a los diferentes
módulos. Funciona en dos modos diferentes, uno
diseñado para la monitorización y control de la
secuencia de experimentación y otro encargado de la
simulación
de
experimentos
anteriormente
registrados.
Figura 5: Monitorización de las señales.
El módulo de almacenamiento de datos está basado
en un sistema de ficheros convencional, al servicio
del controlador central. El panel de monitorización se
encarga de la representación en 2D de los datos. El
panel de visualización 3D realiza una visualización
de la dinámica del barco, incluyendo distintos puntos
de vista y unos ejes de coordenadas fijos como
referencia. El panel de trayectorias consiste en una
visualización 2D sobre la que se situarán puntos de
consigna por los que se desea que pase el barco, y
una trayectoria real de movimiento, que obedece a las
órdenes de control recibidas por el PC empotrado,
permitiéndonos comparar ambos caminos. Por
último, el panel de tratamiento de datos se encarga de
procesamiento de las señales de los sensores, ya que
las medidas experimentales necesitan tratamientos
estadísticos y filtrados para la obtención del WVA
(“Worst Vertical Acceleration”), del MSI (índice de
mareo), etc.
Comunicaciones
Ficheros
Figura 6: Animación 3D.
Debido a la gran cantidad de información recogida y
generada, resulta complicado hacerse una idea global
de qué es lo que está sucediendo a bordo. Por lo tanto
se ha desarrollado un sistema de monitorización
empleando la interfaz OpenGL, de manera que
seamos capaces de ver una animación en 3D sobre lo
que está sucediendo a bordo. Utilizando esta
herramienta, se puede por tanto realizar una
visualización desde cualquier perspectiva gracias a
una cámara virtual. Este tipo de monitorización se
puede emplear tanto para la información sobre la
dinámica del barco, lo que nos permite mediante un
solo vistazo hacernos una idea de lo que sucede a
bordo, como para los registros de anteriores
experimentos, para, por ejemplo, estudiar los
pantocazos del barco. La Figura 6 muestra la
visualización 3D de un experimento.
El sistema de monitorización se completa con una
herramienta que nos permite programar maniobras
para ser ejecutadas por la maqueta. Lo que nos
permite que los experimentos puedan ser diseñados
dinámicamente. La Figura 7 representa la estructura
programa ESS.
Panel
monitor
Represent.
Señales
Panel de
tratamiento
de datos
Integración
,Filtrado…
Coordinad.
Central
Piscina
Datos
Panel 2-D
Seguimient.
Trayectoria
Panel 3-D
Seakeeping
Figura 7: Arquitectura del Sistema de Tierra.
5
CONCLUSIONES
De acuerdo con las nuevas tendencias de las
investigaciones de estabilidad en barcos, que
empiezan a contemplar los movimientos en seis
grados de libertad, se ha desarrollado un nuevo
sistema de monitorización y control con el propósito
de realizar experimentos con una maqueta a escala
que posee una computadora a bordo y un sistema de
comunicación por RF.
Los relativamente estrictos requerimientos del
sistema sobre peso, tamaño y consumo, hacen difícil
el desarrollo del sistema de a bordo. Sin embargo, los
resultados resultan esperanzadores. El sistema
distribuido, basado en un bus CAN, es lo
suficientemente flexible como para ser aplicado en
otros modelos navales, o incluso en barcos reales.
Agradecimientos
Deseamos expresar nuestro agradecimiento al MCYT
por su apoyo a la investigación mediante los
Proyectos TAP970607-C03-01 y DPI2000-0386C03-02. Así mismo, nuestro agradecimiento al apoyo
prestado por CEHIPAR y el asesoramiento de IZAR.
Referencias
[1] Segundo Esteban, Eva Besada-Portas, Jose
María Giron-Sierra, B. Andrés-Toro, Jesús
Manuel de la Cruz (2002). Control
Multiobjetivo de un Ferry de Alta Velocidad, en
las XXIII Jornadas de Automática, La Laguna,
España.
[2] Esteban, S., B. Andres-Toro, E. Besada-Portas,
J.M. Giron-Sierra and J.M. de la Cruz (2002).
Multiobjective control of flaps and T-foil in
high-speed ships, IFAC World Congress,
Barcelona.
[3] Giron-Sierra, J.M., S. Esteban, B. De Andres,
J.M. Diaz and J.M. Riola (2001). Experimental
study of controlled flaps and T-foil for comfort
improvement of a fast ferry, in Proc. IFAC Intl.
Conf. Control Applications in Marine Systems,
Glasgow, U.K.
[4] Fossen, T.J. (1994), Guidance and Control of
Ocean Vehicles, John Wiley.
[5] Lloyd, A.R.J.M. (1998), Seakeeping: Ship
Behavior in Rough Weather, A.R.J.M. Lloyd,
Gosport, Hampshire, U.K.
[6] O’Hanlon, J.F. and M.E. MacCawley (1974),
Motion sickness incidence as a funtion of
frequency and acceleration of vertical sinusoidal
motion, Aerospace Medicine.