En el proyecto UWS queremos construir un submarino, que en principio será teledirigido, pero que esperamos que en algún momento sea autónomo. En principio es un proyecto muy ambicioso, pero que separado en hitos más sencillos, puede hacer que sea realizable. El principal objetivo de este proyecto, es aprender y divertirnos. No tenemos conocimientos de mecánica, ni estanqueidad, ni nada por el estilo, pero por algún sitio tendremos que empezar.
La primera versión del submarino queremos que sea capaz de:
- Sumergirse (Sino menuda castaña de submarino)
- Ser capaz de navegar y ser dirigido
- Tener telemetría básica.
Aunque a primera vista parezcan objetivos bastante sencillos, las primeras pruebas no son muy alentadoras.
Un poco de teoría
Antes de ponernos a explicar como vamos a hacer las cosas, tendremos que saber qué tenemos que conseguir. Básicamente queremos un vehículo, estanco, capaz de moverse bajo el agua. Es bastante así que vamos poco a poco.
Queremos que se sumerja
Volvamos un poco a las clases de física que cuando eramos jóvenes. Básicamente, para que un cuerpo (que se encuentra en reposo) se mueva necesitamos que se ejerza sobre él algún tipo de fuerza. Cualquier cuerpo que esté en la tierra (o cerca) va a experimentar la fuerza de la gravedad, con sentido siempre hacia abajo.
![\[\vec{F_g} = \vec{g}\cdot m\]](https://www.laboratoriogluon.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-b4e7e16c574e50757f077f3cbd17586e_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Por otro lado, cuando sumergimos un cuerpo en un fluido, el principio de Arquimedes nos dice:
Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de la masa del volumen del fluido que desaloja (wikipedia)
Por lo tanto, si tenemos que el empuje (la fuerza que hace flotar las cosas) es mayor que la fuerza de la gravedad nuestro cuerpo tenderá a subir y flotará. Sin embargo, si la fuerza de gravedad es mayor que la de empuje, el cuerpo se hundirá sin fin. Pero, si las fuerzas son iguales el cuerpo se quedará como “volando” en el agua, y ni se hundirá ni flotará. Si igualamos la fuerza de la gravedad y la del empuje (Subindice s es de submarino y a de agua):
![\[g\cdot m_s = \rho_a g V \Rightarrow m_s = \rho_a V_a \Rightarrow m_s = \frac{m_a}{V_a} V_a \Rightarrow m_s = m_a\]](https://www.laboratoriogluon.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-fdf840dffaa321354e24dea0651e3ae8_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Es decir, si la masa del submarino es mayor que la masa del agua que ocupa el submarino, este bajará (
), si es igual se quedará estático y si es menor se hundirá. Para poder cambiar la flotabilidad del submarino, tenemos que poder cambiar su masa, incrementarla y disminuirla, mientras está sumergido. Para ello vamos a usar lo que se conocen como tanques de lastre. Estos son unos compartimentos que se inundan y se vacían, y que ayudan a cambiar la masa del submarino.
¿Y para movernos?
Ya sabemos qué tenemos que hacer para subir y bajar, pero también nos querremos mover como pez en el agua. En nuestro caso vamos a usar el diseño típico de submarinos reales. Por un lado la estructura será de tipo cilindro con dos aletas en la parte frontal para controlar el Roll y el Pitch. Otra aleta controlada con otro servo en la parte trasera que cambiará la orientación. Por último un motor con una hélice al final, hará de propulsor.
Estanqueidad
Todo es muy bonito y el diseño queda genial, pero… Aún no hemos hablado de como hacer que no entre agua dentro (y ya os adelanto que es lo que más nos va a costar). Para intentar hacerlo más fácil, vamos a usar tubos de PVC como estructura externa principal. Además, con unos diseños de O-rings y unos “fuelles” podemos conectar las partes móviles de dentro del submarino, con el exterior.
El diseño de la estanqueidad del propulsor se puede ver en el diagrama de la derecha. Constaría de un tubo que tiene una arandela con la cual conectar unos tornillos M3 al resto de la estructura. La parte interior del tubo tendría dos juntas tóricas para que la vara que conecta el motor y la hélice pueda girar. Además, para ayudar a la estanqueidad y al rozamiento, se rellenará de grasa de litio.
Evitar que entre el agua, por todas las partes que puede hacerlo, dará para un post entero, así que de momento no vamos a entrar más en detalle.
Electrónica
Nuestra “especialidad” es la electrónica y la programación, así que no es raro que lo primero en lo que pensamos fue la parte eléctrica. El sistema constará principalmente de un ESP32 como cerebro principal, arduinos nano para recibir comandos y actuar sobre los motores o servos, el sistema de alimentación (formado por una batería y varios reguladores) y el resto de actuadores y sensores.
La función del ESP32 será la de realizar todas las operaciones y algoritmos necesarios. Por ejemplo, la IMU estará conectada al ESP32 (si quieres saber como: tutorial) y será este el que realice la integración de los datos para obtener el Pitch, Roll, y Yaw del submarino. Sabiendo la posición y orientación, calculará el movimiento requerido de aletas/motores y enviará el comando preciso a cada Arduino.
Por otro lado tenemos los arduinos encargados de realizar funciones más básicas. Estos recibirán comandos directamente del ESP32 a través del I2C, y el procesamiento que tendrán que realizar será mínimo. Los AVR de 8-bits, que componen los arduinos, tienen rendimiento reducido con operaciones en coma flotante, así que dejamos ese trabajo para el ESP32.
Los actuadores que tendremos en la primera parte del proyecto serán los necesarios para el movimiento básico y poco más. Para ello tendremos tres servos: dos para el movimiento de las aletas laterales y uno para la aleta del propulsor. Además, tenemos dos motores: uno para la propulsión del submarino, y otro para el movimiento del tanque de lastre.
Y ahora… ¿qué?
En el momento de escribir este post ya estamos trabajando en la estructura y tenemos varias piezas ya hechas y funcionando, pero aún nos queda mucho trabajo por delante. La estanqueidad nos está retrasando muchísimo, y no pensamos que fuera a ser tan difícil. Por otro lado, la parte de electrónica ya está muy avanzada. Iré escribiendo más entradas con lo que llevamos hecho, y las nuevas ideas que vayamos teniendo.
Nos vemos!
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