Modelación matemática y simulación 3D de la navegación autónoma y tele operación para un vehículo submarino no tripulado

Abstract

Con el creciente desarrollo de la investigación a nivel nacional e internacional en el ámbito de los sistemas de control y la robótica, el desarrollo de modelos de matemáticos y la implementación de simuladores se convierten en herramientas de importancia y útiles para contribuir en las bases sólidas de nuevos resultados de investigación. La robótica presenta un campo muy diversificado, sobre todo en el campo de la robótica móvil, donde se tiene tres medios para la locomoción, siendo el medio acuático una de las áreas menos explorada en investigación, lo que se debe a las dificultades que presenta trabajar con este tipo de robots y lo complejo de su conducta, para lo cual se requieren modelos matemáticos que consideren los factores propios del sistema y que sean simulados en ambientes virtuales. Este trabajo de graduación presenta la modelación matemática de un submarino de dos grados de libertad, donde se determinar en primera instancia la cinemática del vehículo subacuático y luego se deduce un modelo dinámico que interprete su comportamiento considerando los factores internos y externos al submarino, además, se incluye un modelo probabilístico de la comunicación que determina los retardos de comunicación entre el sitio local en la superficie y el sitio remoto en el área subacuática. Los modelos matemáticos encontrados se utilizan para diseñar controladores con dos objetivos primordiales, la navegación autónoma y la tele-operación del submarino, para cual se desarrollar un control de posición mediante la cinemática inversa del robot submarino y un controlador PID para regular las velocidades del vehículo subacuático. Para este último controlador se obtienen las constantes proporcional, integral y derivativa mediante sintonización por el método de Ziegler y Nichols. Adicional, se implementa un entorno de simulación virtual en 3D en el software de simulación V-Rep, en el cual se construye el ambiente subacuático y el modelo del submarino de dos grados de libertad, este simulador está conectado a Matlab para resolver los modelos matemático y generar las acciones de control que rigen el comportamiento del simulador. Finalmente, se concluye con pruebas de simulación de los sistemas de navegación autónoma y tele-operación del vehículo submarino no tripulado, observando el correcto funcionamiento de todos los elementos diseñados en este trabajo de investigación.