entorno gráfico para el control del gobierno de un buque
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1. Angulo error Se ales de ordenado Controlador control OS de ngulo El lvul se Todo nada ectrov lvulas ngulo A a actual Y y l Airea f presi n i A Sensor l de ngulo e y potenci metro i Sistema de l accionamiento de la pala i i SERVOTIMON PLANTAGI E j Figura 1 Lazo secundario de control Rumbo E A Ea ordenado Angulo ordenado Controlador Controlador gt de rumbo f de ngulo PID de Todo Nada Rumbo ngulo actual actual i Sensor de i rumbo Planta G1 Potenci metro Sensor de rumbo girosc pica f Respuesta del buque a la pala PLANTA G2 Figura 2 Lazo principal de control En un buque el servomotor de accionamiento del tim n 5 est formado por elementos cilindro o motor que convierten la potencia hidr ulica en potencia mec nica de giro o traslaci n En el caso de emplear cilindros hidr ulicos se pueden utilizar dos con movimiento lineal de vaiv n y controlados a contrafase mediante una electrov lvula hidr ulica Los v stagos de ambos cilindros accionan un yugo que convierte el movimiento rectil neo en circular llevando as la pala del tim n a una banda u otra el n mero de grados deseado El ngulo de posici n de la pala puede ser medido con un sensor El buque se dirigir bien hacia2. Pala del tim n Electrov lvula y cilindro estribor Electrov lvula y cilindro babor Figura 3 Estructura general En la figura 4 se puede ver una foto del montaje del computador GPS y unidad girosc pica e 5 Figura 4 Computador GPS y unidad girosc pica digital 2 1 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA En la figura 5 se presenta el diagrama de bloques del sistema completo A A o A E Rumbo Rumbo ae Sal Ba e deseado Control Control a LD f ae actua EZ v O gt tim n j Sal Actuador Buque gt em F Kono o A JA Posici n i Ent deseada Calcular a lt i gt rumbo a E deseado O Potenci metro e t EE E A Puerto Puerto a serie 2 serie 1 AS A AA l GPS Unidad girosc pica Figura 5 Diagrama de bloques COMUNICACI N DEL SISTEMA CON LA UNIDAD GIROSCOPICA Y EL GPS 2 2 La interconexi n de los diferentes instrumentos en un buque est condicionada principalmente por la distancia entre los equipos La transmisi n de datos debe ser mediante se ales digitales que sufren menores degradaciones con la distancia que las anal g
3. digo que el usuario puede activar mediante botones cajas de texto y otros controles de la interfaz Estos controles reconocen autom ticamente las acciones del usuario y responden a los sucesos previamente definidos por el programador para esa acci n 4 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO La figura 7 muestra el interfaz de usuario que se utilizar en las pruebas de funcionamiento En el programa se puede elegir comunicaci n on line si se desea habilitar las comunicaciones entre el computador y los perif ricos GPS Unidad Girosc pica y Servomotor u off line en caso contrario para trabajar en modo simulaci n Para cada estado de comunicaci n se puede escoger entre tres modos de gobierno Manual Giro y GPS El modo Manual es el m s sencillo El usuario debe introducir el ngulo de pala deseado en el computador ste compara el ngulo ordenado con el actual lectura del potenci metro y activa el controlador Todo Nada La se al del controlador activa las electrov lvulas que mueven la pala del tim n hasta la posici n deseada En el modo Giro el usuario introduce el rumbo deseado El sistema compara dicho valor con el rumbo actual lectura giro y con el controlador PID se obtiene el ngulo de pala necesario para realizar la maniobra de cambio de rumbo Si ste ngulo no coincide con el actual hay que fijar la nueva posici n de la pala con el controlador todo nada El sistema actuar hasta que la diferencia entre el rumb
4. ENTORNO GR FICO PARA EL CONTROL DEL GOBIERNO DE UN BUQUE Teresa M Rueda Rodr guez Dpto Tec Elec Ing Sistemas y Autom tica Univ de Cantabria C Gamazo n 1 39004 Santander ruedat aunican es Francisco J Velasco Gonz lez Dpto Tec Elec Ing Sistemas y Autom tica Univ de Cantabria C Gamazo n 1 39004 Santander velascof Qunican es Jos Luis Nanclares L pez Dpto CC y TT de la Navegaci n M q y Constr Navales UPV EHU C Mar a D az de Haro 68 48920 Portugalete Bizkaia cnpnaloj W1g ehu es C sar Valverde Saro Licenciado en Marina Civil Secci n N utica E S Marina Civil Univ de Cantabria C Gamazo n 1 39004 Santander Daniel Cicu ndez Lasen Dpto Tec Elec Ing Sistemas y Autom tica Univ de Cantabria Av Los Castros s n 39005 Santander cicuendezd Wunican es Niceto P rez Cagigal Dpto Tec Elec Ing Sistemas y Autom tica Univ de Cantabria Av Los Castros s n 39005 Santander perezn Qunican es Resumen En este art culo se presenta una interfaz gr fica dise ada para monitorizar y controlar el rumbo de un buque El rumbo y la posici n del buque se controlan por medio de una unidad girosc pica digital y un receptor GPS Sistema de posicionamiento global diferencial Se ha empleado como herramienta de programaci n el lenguaje Visual Basic Se ha comprobado el funcionamiento de los 3 diferentes modos de operaci n Manual Gyro y GPS Palabras Clave Cont
5. estribor o bien hacia babor Se utilizan tambi n para el control del sistema de gobierno una unidad girosc pica digital para la medida del rumbo y un GPS para conocer la posici n del buque Para realizar las pruebas en el laboratorio se utiliza un sistema similar pero de accionamiento neum tico Se incluye un potenci metro unido de forma solidaria al eje del tim n De este modo el giro del eje producir una se al de tensi n entre los bornes que ser funci n del ngulo de giro Un computador se utiliza para la comunicaci n entre el control y los dem s elementos del sistema 6 La unidad girosc pica y el GPS env an los datos al computador a trav s de los puertos serie del computador y el potenci metro a trav s de la tarjeta de adquisici n de datos PCL 812PG 9 Un esquema del sistema completo se puede ver en la figura 3 Antenas Teclado Giro Modo de GPS DGPS KVH funcionamiento y Rat n Puerto Puerto de A modo modo modo Serie 2 Serie 1 GPS Giro Manual Computa sic actua Calcular Rumbo Angulo rumbo actua ordenado deseado Controlador Controlador PID gt Todo Nada Lo Angulo actual BUSA Ent anal gicas BUSD A Tati Sal digital Tarjeta TO gt PCL 812PG a e E Dej tzv
6. gulos de balanceo y cabeceo as como de la estabilizaci n de rumbo balanceo y cabeceo 3 HERRAMIENTA DE DISE O El dise o del sistema de control de rumbo y de ngulo de tim n presentado en este art culo se ha realizado mediante el lenguaje de programaci n Visual Basic 4 0 pudi ndose escoger para el control de gobierno del buque los modos Manual Giro o GPS 3 1 DIAGRAMA DE FLUJO En la figura 6 se puede ver el diagrama de flujo del programa dise ado INICIO AS Y Calcular ngulo de pala actual Modo s Introducir ngulo manual de tim n deseado no y Modo s Introducir rumbo iro deseado no Introducir rumbo deseado modo GPS O Calcular ngulo de pala para alcanzar rumbo deseado FN A OS Pa r P ng N s lt deseado ng actua TS no a SS Mantener posici n de la pala A r a Ang actual gt s cons Caer a babor gt Ang deseado 5 Pa Sa OA Ss no Y Caer a estribor Y Figura 6 Diagrama de flujo 3 2 ELECCI N DE LA HERRAMIENTA DE PROGRAMACION Visual Basic 1 es una herramienta de programaci n que permite el dise o de una interfaz gr fica de usuario de forma sencilla similar a la forma de utilizar un programa de dibujo El programa en Visual Basic es un conjunto de diferentes partes de c
7. icas Se pueden emplear para ello diferentes tipos de buses Para la transmisi n de los datos proporcionados por la unidad girosc pica digital y el GPS al computador se emplea el protocolo de comunicaciones de la NMEA National Marine Electronic Association norma 0183 2 ste se basa en protocolos lentos del tipo RS 232 utilizado por los puertos serie de un computador La NMEA normaliza el tipo de paquete de datos a transmitir y el contenido de los mismos mediante la configuraci n de sentencias cuyo formato depende del tipo de sentencia Cada sentencia est formada por caracteres ASCII que empiezan por el car cter seguido por dos caracteres que identifican el instrumento emisor y tres que definen el tipo de sentencia Finalmente se reciben los datos de medida En el trabajo realizado se emplean un receptor GPS Valsat 2008 10 y un girocomp s digital KVH Azimut que env an la informaci n al computador a trav s de sendos puertos serie El GPS Valsat 2008 es un sistema de navegaci n formado por un receptor de radio posicionamiento que recibe las se ales desde la estaci n NAVSTAR GPS y las env a al computador mediante un cable de alimentaci n con intercambio de datos seg n la norma NMEA El sistema KVH Azimut est compuesto por un girocomp s digital DGC un giroinclin metro DGI un gir scopo angular DGS y un m dulo de salida de datos NMEA Con este sistema se puede disponer de datos digitales de rumbo n
8. l buque I Congreso Nacional de Investigaci n e Innovaciones Tecnol gicas en el mbito Mar timo pp 183 192 3 McKinney B 1996 Programaci n Avanzada con Visual Basic Ed McGraw Hill 4 Smith C A and Corripio A B 1997 Principles and practice of automatic process control Ed John Wiley amp Sons Inc 5 Taylor D A 1987 Marine Control Practice Ed Butterworths 6 Valverde C 2002 Dise o de un Sistema de Gobierno Automatizado con Visual Basic 4 0 Proyecto de Licenciatura en Marina Civil Secci n N utica Universidad de Cantabria 7 Diferencial 300M2 MLR Electronique S A 1996 8 Girocomp s digital KVH ADGC Manual del operador Equipos Navales Industriales S A 9 PCL 812PG Enhanced Multi Lab Card User s Manual Advantech Co Ltd 1996 10 Valsat 2008 Receptor GPS Manual de usuario MLR Electronique S A 1996
9. o actual y el deseado sea admisible En el modo GPS se introduce la posici n latitud longitud deseada El sistema calcula el rumbo necesario para ir desde la posici n actual lectura del receptor GPS a la posici n deseada ste es ahora el rumbo deseado A partir de aqu el sistema funciona como en el caso anterior u Foml Valor de Entrada Giro Rumbo actual ca da de pioa 3 333333 Angulo actual slej xi arco cecato M E Margen pala zii MANUAL GIRO zi Figura 7 Interfaz 5 CONCLUSIONES Se ha comprobado que la transmisi n de datos desde los distintos elementos perif ricos GPS Giro electrov lvulas e indicador de posici n del tim n al computador a trav s del programa en Visual Basic se efect a de modo correcto El controlador todo nada permite obtener la posici n del tim n deseada en todos los modos de funcionamiento que se pueden elegir en el programa Se ha comprobado tambi n que el controlador de rumbo funciona satisfactoriamente en modo simulaci n pero habr a sido necesario verificarlo tambi n en un buque real Agradecimientos El desarrollo de este trabajo ha sido subvencionado por la CICYT con los proyectos TAP97 0607 C03 03 y DPI 2000 0386 C03 03 Referencias 1 Ceballos F J 1996 Enciclopedia de Visual Basic Ed Ra Ma 2 Cicu ndez D Cagigal N Velasco F J Casas A 1997 El Standard NMEA 0183 en la integraci n de la instrumentaci n de
10. rol de rumbo control de ngulo de tim n piloto autom tico GPS unidad glrosc pica Visual Basic herramienta visual interfaz gr fica 1 INTRODUCCI N El control de gobierno de un buque es una tarea b sica en la navegaci n necesaria para realizar todo tipo de maniobras como seguir una trayectoria planificada realizar un cambio de rumbo alcanzar un punto geogr fico e incluso actuar ante un riesgo de colisi n En este art culo se presenta el dise o de la interfaz gr fica del piloto autom tico de un buque mediante el uso del lenguaje de programaci n Visual Basic 3 Se emplean una unidad girosc pica digital 8 y un receptor GPS diferencial 7 para conocer la posici n y rumbo del buque Se utiliza un controlador PID para obtener el rumbo y posici n del buque deseados y la se al de salida de este controlador act a sobre un lazo interno de control todo nada que se encarga de ajustar la posici n del tim n a la orden del controlador PID El sistema tiene tres modos de funcionamiento posibles Manual actuando directamente sobre el controlador todo nada Giro y GPS 2 DESCRIPCI N DEL SISTEMA Para el control del sistema de gobierno del buque se ha utilizado un control en cascada 4 con un controlador de ngulo de tim n de tipo Todo Nada en el lazo secundario figura 1 y un controlador de rumbo de tipo PID en el lazo principal figura 2 Se al de
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