Resumen de Modelado e implementación de un sistema de navegación electrónico para la estimación del rendimiento de un barco de vela.
- español
La elaboración de esta tesis doctoral surge como consecuencia de la necesidad de afrontar las carencias que los sistemas de navegación actuales poseen, frente a las demandas que cada vez son más exigentes por parte de los usuarios. Esta tesis afronta la siguiente problemática considerando uno de los aspectos más importantes de un sistema de navegación a vela, que corresponde a una medición precisa y fiable del viento.
Un sensor de viento para embarcaciones de vela MHU Mast Head Unit, provee de la información del viento aparente, que se define como el ángulo aparente formado por el viento y el rumbo de la embarcación. El sensor está expuesto a los movimientos inerciales de la embarcación, originados por la interacción entre los dos fluidos, aire y mar. El objetivo fundamental es obtener las variables calculadas de viento real en cuanto a intensidad y dirección que experimentaría un observador fijo a partir de la medida de viento aparente. Los sensores básicos que contribuyen en esta medida son la corredera, la veleta y el anemómetro; cuanto mayor sea la resolución y linealidad de los mismos, con mayor precisión se realizará la medida. Adicionalmente, se hace necesario incorporar en el cálculo básico de viento, un compás y un GPS con objeto de poder referenciar la dirección de viento al norte magnético, magnitud vital en el seguimiento de roles de viento. Correcciones por desalineación del equipo de viento, torsión del palo, viento generado por inercias, compensaciones por inclinación, upwash, wind shear, son algunos ejemplos de parámetros que se deben tener en cuenta para obtener una medida precisa del viento con la cual poder estimar con mayor fiabilidad el rendimiento del velero.
Como resultado se obtiene un nuevo método en tiempo real para la estimación del rendimiento de un barco de vela mediante la compensación de sensores Micro-ElectroMechanical Systems, MEMS. Para esta finalidad, se incorporan sensores giroscopios, acelerómetros y magnetómetros para filtraje y compensación de los movimientos rotacionales de la embarcación así como los errores producidos por la torsión del mástil.
Adicionalmente se realiza un prototipo de una unidad de viento formada por el conjunto de un anemómetro de copas y veleta instrumentada mediante encoders magnéticos, basados en la tecnología Hall. Dicho dispositivo también incorpora un sistema inercial de nueve grados de libertad formado por acelerómetros, giroscopios y magnetómetros utilizados para la compensación de la inercia mecánica de los elementos móviles que la componen.
Por último, se diseña e implementa una unidad central de procesado implementado en una plataforma Yún de bajo coste, basada en la unión puente entre un microcontrolador y un microprocesador que soporta una distribución linux OpenWrt. La plataforma es escalable mediante el uso de escudos “Shield” que son tarjetas electrónicas que se apilan de forma vertical para expandir la arquitectura interconectando buses y alimentación. El conjunto entre la placa base Yún, el escudo CAN BUS y el escudo que es diseñado específicamente para las interfaces y acondicionamiento de los sensores de navegación componen el procesador.
- English
The development of this doctoral thesis arises as a consequence of the need to face the shortcomings that the present navigation systems have, in front of the demands that are more and more demanding by the users. This thesis faces the following problems taking into account one of the most important aspects of a navigation system, which corresponds to an accurate and reliable wind measurement.
A wind sensor MHU Masthead Unit for sailboats provides the apparent wind information, which is defined as the apparent angle formed by the wind and the heading of the boat.
The sensor is exposed to the inertial movements of the boat, originated by the interaction between the two fluids, air and sea. The fundamental objective is to obtain the calculated real wind variables in terms of intensity and direction that a fixed observer would experience from the apparent wind measurement. The basic sensors that contribute to this measure are the paddle wheel, weather vane and anemometer; The greater the resolution and linearity of the same, the more accurately the measurement will be performed. In addition, it is necessary to incorporate in the basic calculation of wind, a compass and a GPS in order to be able to reference the direction of wind to magnetic north, vital magnitude in tracking wind roles. Corrections for wind equipment misalignment, mast twist, wind generated by inertia, inclination compensations, upwash, wind shear, are examples of parameters to be taken into account to obtain an accurate measurement of wind with which to estimate reliably the performance sailboat.
As a result we obtain a new real-time method for estimating the performance of a sailboat by compensating MEMS sensors Micro-Electro-Mechanical Systems. For this purpose, gyroscopes, accelerometers and magnetometers are used to filter and compensate for the rotational movements of the vessel as well as errors produced by the twisting of the mast.
Additionally a prototype of a wind unit formed by the set of an anemometer of cups and vane instrumented by magnetic encoders, based on the Hall technology, is realized. This device also incorporates an inertial system of nine degrees of freedom formed by accelerometers, gyroscopes and magnetometers used to compensate the mechanical inertia of the mobile elements that compose it.
Finally, a central processing unit implemented in a low-cost Yún platform, based on the bridge connection between a microcontroller and a microprocessor supporting an OpenWrt Linux distribution, is designed and implemented. The platform is scalable by using shields that are electronic cards that are stacked vertically to expand the architecture by interconnecting buses and power. The assembly between Yún mainboard, CAN BUS shield and shield that is designed specifically for the interfaces and conditioning of the navigation sensors compose the processor.
