Explorando debajo del hielo (y manteniendo su AUV en una sola pieza)

Foto: International Submarine Engineering Ltd.

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Diciembre de 2019 marcó el primer aniversario desde que la Universidad de Tasmania envió el nupiri muka AUV construido por ISE a la Antártida como parte de la Asociación Antártica Gateway. Mientras estuvo allí, completó con éxito muchas misiones de reconocimiento bajo el glaciar Sørsdal. ¡Qué mejor manera de celebrar este logro que enviarlo de vuelta para una vuelta de victoria este año!

Las misiones bajo hielo pueden ser notoriamente difíciles, e ISE ha acumulado una gran experiencia en los más de 25 años desde que comenzó a enviar vehículos a las regiones polares. Además de la misión antártica más reciente, los AUV de ISE han estado en el Ártico varias veces. En particular, dos de los AUV de ISE creados para el Proyecto Cornerstone de Canadá completaron 1000 km de prospección bajo hielo en 2010, y para Theseus, construido por el Proyecto Spinnaker ISE, tendió cientos de kilómetros de cable de fibra óptica.

Una multitud de factores llevaron a estas operaciones exitosas, y en este artículo discutiremos algunos de los peligros inherentes de trabajar bajo hielo polar y cómo fueron mitigados.

¿Por qué son difíciles las misiones bajo AUV?
Cada vez que un AUV desciende para explorar regiones desconocidas, hay un Foto: International Submarine Engineering Ltd. posibilidad de que se pierda. Incluso para los AUV, el océano no es un lugar amigable. El terreno por el que navega solo se mapea parcialmente en alta resolución; Sabemos más sobre la superficie de Marte que sobre nuestros fondos oceánicos. Dicho esto, hay formas de minimizar los riesgos. Siempre hay seguridad en la superficie, por ejemplo. Si un AUV está diseñado para ser ligeramente flotante con pesos de caída de emergencia para hacerlo aún más, entonces simplemente puede flotar a la superficie en caso de emergencia. El AUV también tiene un conjunto de sensores para ayudar a evitar obstáculos y el propio fondo del océano para que pueda reaccionar al terreno debajo y frente a él. La posición del AUV casi siempre se conoce con el seguimiento USBL y se puede comunicar a través de Comunicación acústica durante toda la operación. Esto le permite al piloto tomar decisiones críticas para ayudar a mantener seguro el AUV.

¿Por qué son difíciles las misiones bajo el hielo?
Estar bajo hielo polar hace que la consecuencia del fracaso sea mucho mayor. Ya no tiene la red de seguridad de la superficie a la que volver, se sabe menos sobre el terreno y no hay comunicación limitada con el AUV. Cada vez que encuentra dificultades, debe tener sistemas que le permitan recuperarse por sí solo, sin intervención humana.

Además de esto, el seguimiento USBL no funciona bien. Si algo sale mal, no sabe dónde está el AUV y es probable que no sea recuperable. No solo pierde un activo multimillonario, sino que no puede descubrir qué salió mal para mejorarlo la próxima vez.

Incluso después de una misión exitosa, la recuperación no es algo seguro, ya que el nupiri muka se enteró de sus viajes en la Antártida. Cada día tenía que transitar de regreso a la estación de Davis a través de aguas llenas de icebergs flotantes del tamaño de autos.

A veces, el único acceso a la ubicación de la encuesta será a través de un pequeño agujero en el hielo que se mueve varios kilómetros por día, según lo experimentado en las misiones Cornerstone.

Esto ejerce mucha presión para garantizar que el plan de la misión sea correcto y que el AUV pueda reaccionar a todas las situaciones de manera adecuada.

Foto: International Submarine Engineering Ltd. ¿Cómo mitigamos los riesgos adicionales?

Autonomía avanzada: sin la relativa seguridad de la superficie, esta es la herramienta principal que ISE utiliza para mantener seguros sus AUV. Le da al AUV la capacidad de tomar decisiones contextuales en diferentes etapas del plan de misión. Hay muchos escenarios que pueden interrumpir la misión y cambiar el objetivo del AUV, por ejemplo, si surge una emergencia y necesita abortar la misión a través de la ruta más segura. Según los parámetros establecidos, el AUV puede determinar dónde está el más adecuado. Al principio de la operación, esto podría ser simple, ya que podría haber obstrucciones mínimas, sin embargo, en un área desconocida bajo hielo, la opción más segura podría ser regresar por donde vino en lugar de otras opciones posiblemente más cortas. Mientras estaba bajo el glaciar Sørsdal, este es precisamente el tipo de autonomía con la que estaba equipado el nupiri muka. Como el glaciar es costero, hay muchos lugares donde las aguas poco profundas pueden restringir su movimiento, por lo que es esencial poder cambiar su comportamiento en función de la profundidad del agua.

Además, si uno de los sensores del AUV no funciona correctamente, puede reaccionar de varias maneras dependiendo de cuán crítico sea el mal funcionamiento: puede cambiar a un sensor de respaldo o regresar a casa. Otras características autónomas importantes incluyen el monitoreo de los niveles de energía y garantizar que el AUV regrese a casa antes de que se agoten las baterías. Además, tener límites geográficos y temporizadores para cada sección de la misión asegura que el AUV pueda reaccionar si se tarda demasiado en completar segmentos o salir del territorio de la misión.

Hardware robusto: tener el hardware adecuado es otra forma importante de mitigar los riesgos. Por ejemplo, el nupiri muka estaba equipado con un sonar de evitación de obstáculos multihaz que le permitía ver no solo lo que estaba frente a él, sino también lo que estaba debajo y encima. Su algoritmo de evitación fue diseñado para reaccionar adecuadamente dependiendo de dónde estaba el obstáculo, ya que simplemente subir y girar a estribor no siempre es una opción segura.

Para mejorar la precisión de navegación, nupiri muka también estaba equipado con un DVL para seguir el hielo, además de uno que seguía el fondo del océano. Sin esto, perdería rápidamente la precisión posicional y es posible que no pueda llegar a casa. El vehículo también tenía un módem acústico adicional que apuntaba hacia abajo para ayudar a mejorar la comunicación en situaciones en las que el AUV estaba cerca de la superficie del hielo. Cuanto más pueda ayudar el piloto al AUV, mayores serán las posibilidades de éxito.

Para el Proyecto Cornerstone, los AUV se desplegaron a través de un agujero de hielo que se movía varios kilómetros por día. Los vehículos estaban equipados con un sistema de referencia que podría ayudarlos a encontrar el camino a casa incluso a 100 km de distancia. También estaban equipados con un sistema de lastre variable para darles la posibilidad de estacionar bajo el hielo y esperar a que un ROV los transportara la distancia final al hoyo de hielo. Para minimizar los riesgos de lanzamiento y recuperación, estos AUV también estaban equipados con conectores submarinos para cargar y descargar datos.
Todo este hardware debe ser probado y verdadero: diseños maduros, utilizados durante años para garantizar su fiabilidad. Incluso un sistema fallido puede hacer o deshacer una misión.

Hacia el éxito.
Como podemos ver, hubo muchos contribuyentes a las exitosas misiones bajo hielo. Lo más discutido fue en los propios vehículos, pero también es importante recordar la planificación y la experiencia necesarias. Cada vez que se envía el vehículo, su plan de misión debe ser revisado cuidadosamente por personas con experiencia polar. Con esto en mente, más un poco de sangre, sudor, lágrimas y tal vez un poco de suerte, no hay razón para que no haya muchas más misiones polares exitosas en el futuro.

Los autores
Luke Alden BSc Diseñador Mecánico en International Submarine Engineering Ltd. Luke tiene más de 10 años de experiencia en ingeniería. Durante su tiempo en ISE, ha estado involucrado en muchos proyectos de diseño, incluida la integración de cámaras en AUV.

Luke Alden Alex Johnson, Gerente del Departamento de Mecánica de Peng en International Submarine Engineering Ltd. Alex ha administrado construcciones de AUV Explorer de 3000m y 6000m, así como también ha diseñado múltiples sistemas de AUV durante sus 12 años en ISE.

Alex Johnson