Medición de oleaje en el mar Ártico
Medición de olas en mar abierto y con presencia de hielo con AHRS.
“Las unidades fueron fiables, sin fallos en las duras condiciones del Ártico. Han estado funcionando continuamente durante más de un año sin necesidad de reiniciar la alimentación, etc.” | Dr. Martin Doble
Programa de la Zona Marginal de Hielo (MIZ)
En las últimas décadas, el Ártico se ha calentado más que cualquier otra región, lo que ha provocado una reducción significativa en el volumen de hielo marino. La combinación de un área libre de hielo mayor y una cubierta de hielo más móvil ha dado lugar a la aparición de una zona marginal de hielo (MIZ) estacional en el mar de Beaufort.
La iniciativa MIZ de la Oficina de Investigación Naval (Office of Naval Research) comprende un programa integrado de observaciones y simulaciones para investigar la dinámica hielo-océano-atmósfera con varios sistemas autónomos, incluidas boyas de oleaje.
Ellipse-A para estudiar las características de las olas del océano
El programa utilizó 25 boyas de olas para cuantificar las características y la evolución de las olas en alta mar y entre el hielo. Además, se desplegaron veinte boyas en verano y cinco en invierno.
El Dr. Martin Doble, oceanógrafo de la UPMC y miembro del programa de investigación, explicó: “Necesitábamos una solución rápida y rentable para medir los espectros de olas direccionales en el océano”.
El tiempo de implementación fue corto. Por lo tanto, era esencial una solución integrada que proporcionara datos precisos de oleaje vertical (heave) de inmediato. Además, la entrega rápida de las unidades demostró ser crucial.
Los ingenieros instalaron las boyas de verano perforándolas en el hielo. Asimismo, las alimentaron con paneles solares y las equiparon con sensores de movimiento inercial Ellipse-A.
Estos sensores detectaron los efectos de las olas lejanas y cercanas en los témpanos de hielo. Una vez que el hielo se derritió, las boyas continuaron midiendo las características de mar abierto. Además, los operadores instalaron cinco boyas de invierno directamente sobre el hielo.
Estas boyas de aluminio ofrecían mayor resistencia y contenían baterías para durar durante los oscuros meses de invierno. Cada boya también integraba electrónica de procesamiento, tarjeta SD, GPS y un módem satelital Iridium con antenas.
Esta configuración transmitía los datos registrados bajo demanda a la estación base de Cambridge. Por último, los investigadores combinaron los datos de las boyas de verano (olas de mar abierto) y las boyas de invierno (olas bajo el hielo). Como resultado, cuantificaron las tasas de atenuación de las olas de manera más efectiva.
Cuándo tiene sentido la calibración de temperatura
Los sensores inerciales Ellipse-A se utilizaron aquí para la altura y la dirección de las olas. El Ellipse-A mide en tiempo real el balanceo (roll), el cabeceo (pitch) y el rumbo con una precisión de 0,35°, y el oleaje vertical (heave) con una precisión de 10 cm.
Cada sensor está calibrado para el sesgo, la linealidad, la ganancia, la desalineación, los ejes cruzados y el error de aceleración del giroscopio (gyro-g) de -40 °C a +85 °C. Esto les permite proporcionar datos fiables en entornos hostiles, ¿y qué puede ser más hostil que el hielo ártico? “Las unidades fueron fiables, sin fallos en las duras condiciones árticas.
Los Ellipse-A han estado funcionando continuamente durante más de un año sin requerir reinicios ni similares, y los números se ven bien, ofreciendo resultados claros”, en palabras del Dr. Doble.
“Necesitábamos una solución muy rápida y rentable para medir los espectros de olas direccionales en el océano.” | Dr. Martin Doble
Ellipse-A: AHRS en miniatura de alto rendimiento
Durante el proyecto se lanzó la Ellipse Series, una nueva línea que sustituye a la serie IG-500.
Más precisa en actitud y más fiable (IP68) por el mismo presupuesto, los nuevos sensores inerciales en miniatura proporcionan ahora un oleaje vertical (heave) que se ajusta automáticamente al periodo de las olas para un mayor rendimiento.
Los sensores Ellipse-A se utilizan actualmente en un nuevo proyecto de la ONR en los mares de Beaufort y Chukchi.
Ellipse-A
Ellipse-A es un sistema de referencia de actitud y rumbo (AHRS) económico y de alto rendimiento. Incorpora un procedimiento de calibración magnética de primera clase para un rumbo óptimo y es adecuado para aplicaciones de dinámica baja a media.
Calibrado en fábrica de -40 °C a 85 °C, este robusto sensor de movimiento inercial proporciona datos de balanceo (Roll), cabeceo (Pitch), rumbo (Heading) y oleaje (Heave).
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¿Qué son los sensores de medición de olas?
Los sensores de medición de olas son herramientas esenciales para comprender la dinámica oceánica y mejorar la seguridad y la eficiencia en las operaciones marítimas. Al proporcionar datos precisos y oportunos sobre las condiciones del oleaje, ayudan a fundamentar decisiones en diversos sectores, desde el transporte marítimo y la navegación hasta la conservación ambiental. Las boyas de oleaje son dispositivos flotantes equipados con sensores para medir parámetros de las olas como la altura, el periodo y la dirección.
Por lo general, utilizan acelerómetros o giróscopos para detectar el movimiento de las olas (por ejemplo, el período de las olas) y pueden transmitir datos en tiempo real a instalaciones en la costa para su análisis.
¿Qué es la batimetría?
La batimetría es el estudio y la medición de la profundidad y la forma del terreno submarino, centrándose principalmente en la cartografía del fondo marino y otros paisajes sumergidos. Es el equivalente submarino de la topografía, y proporciona información detallada sobre las características subacuáticas de océanos, mares, lagos y ríos. La batimetría desempeña un papel crucial en diversas aplicaciones, incluidas la navegación, la construcción marina, la exploración de recursos y los estudios ambientales.
Las técnicas batimétricas modernas se basan en sistemas de sonar, como las ecosondas monohaz y multihaz, que utilizan ondas sonoras para medir la profundidad del agua. Estos dispositivos envían pulsos de sonido hacia el fondo marino y registran el tiempo que tardan en regresar los ecos, calculando la profundidad en función de la velocidad del sonido en el agua. Las ecosondas multihaz, en particular, permiten cartografiar amplias franjas del fondo marino de una sola vez, proporcionando representaciones altamente detalladas y precisas del mismo. Con frecuencia, se asocia una solución RTK + INS para crear representaciones batimétricas en 3D del fondo marino con una posición precisa.
Los datos batimétricos son esenciales para crear cartas náuticas, que ayudan a guiar a las embarcaciones con seguridad mediante la identificación de posibles peligros subacuáticos como rocas sumergidas, pecios y bancos de arena. También desempeñan un papel fundamental en la investigación científica, ya que ayudan a comprender los elementos geológicos submarinos, las corrientes oceánicas y los ecosistemas marinos.
¿Para qué se utiliza una boya?
Una boya es un dispositivo flotante utilizado principalmente en entornos marítimos y acuáticos con varios propósitos clave. A menudo se colocan boyas en ubicaciones específicas para señalar pasos seguros, canales o áreas peligrosas en masas de agua. Guían a los barcos y embarcaciones, ayudándoles a evitar puntos peligrosos como rocas, aguas poco profundas o naufragios.
Se utilizan como puntos de fondeo para embarcaciones. Las boyas de amarre permiten a los barcos amarrarse sin necesidad de echar el ancla, lo que resulta especialmente útil en zonas donde el fondeo no es práctico o daña el medio ambiente.
Las boyas instrumentadas están equipadas con sensores para medir condiciones ambientales como la temperatura, la altura de las olas, la velocidad del viento y la presión atmosférica. Estas boyas proporcionan datos valiosos para la previsión meteorológica, la investigación climática y los estudios oceanográficos.
Algunas boyas actúan como plataformas para recopilar y transmitir datos en tiempo real desde el agua o el lecho marino, y se utilizan a menudo en investigación científica, monitorización ambiental y aplicaciones militares.
En la pesca comercial, las boyas marcan la ubicación de trampas o redes. También ayudan en la acuicultura, señalando la ubicación de granjas submarinas.
Las boyas también pueden delimitar zonas designadas, como áreas de prohibido fondear, zonas de prohibición de pesca o áreas de baño, ayudando a hacer cumplir las normativas en el agua.
En todos los casos, las boyas son fundamentales para garantizar la seguridad, facilitar las actividades marinas y respaldar la investigación científica.
¿Qué es la flotabilidad?
La flotabilidad es la fuerza ejercida por un fluido (como el agua o el aire) que se opone al peso de un objeto sumergido en él. Permite que los objetos floten o asciendan a la superficie si su densidad es menor que la del fluido. La flotabilidad se produce debido a la diferencia de presión ejercida sobre las partes sumergidas del objeto; se aplica una mayor presión a menores profundidades, lo que crea una fuerza ascendente.
El principio de flotabilidad se describe mediante el principio de Arquímedes, el cual establece que la fuerza de flotación hacia arriba sobre un objeto es igual al peso del fluido desplazado por dicho objeto. Si la fuerza de flotación es mayor que el peso del objeto, este flotará; si es menor, el objeto se hundirá. La flotabilidad es fundamental en muchos campos, desde la ingeniería naval (diseño de barcos y submarinos) hasta la funcionalidad de dispositivos flotantes como las boyas.
¿Qué es una IMU?
Una Unidad de Medición Inercial (IMU) es un módulo sensor compacto que mide el movimiento y la orientación de una plataforma mediante la captura de sus aceleraciones lineales y velocidades de rotación angular. En su núcleo, una IMU integra tres acelerómetros y tres giróscopos dispuestos a lo largo de ejes ortogonales para proporcionar seis grados de medición.
Los acelerómetros detectan cómo se acelera la plataforma en el espacio, mientras que los giróscopos realizan un seguimiento de cómo rota. Al procesar estas mediciones conjuntamente, una IMU ofrece información precisa sobre los cambios de velocidad, actitud y rumbo sin depender de ninguna señal externa. Esto hace que las IMU sean esenciales para la navegación en entornos donde el GPS no está disponible, no es fiable o está denegado intencionadamente. Su rendimiento depende en gran medida de la calidad del sensor, la calibración y de cómo se controlan los errores —como los sesgos, el ruido, los factores de escala y las desalineaciones—.
Las IMU de alta gama incluyen mecanismos avanzados de calibración, compensación térmica, filtrado de vibraciones y estabilidad del sesgo para asegurar que los errores no se acumulen rápidamente con el tiempo. Gracias a estas características, las IMU se utilizan en una amplia gama de aplicaciones —desde UAVs, municiones merodeadoras y vehículos autónomos hasta AUVs, robótica y sistemas de estabilización industrial— proporcionando una conciencia robusta y continua del movimiento y la orientación incluso en las condiciones operativas más adversas.
