Desafíos operativos en el despliegue de Unmanned Surface Vehicles (USV)

El uso de Unmanned Surface Vehicles (USV) ha ido en aumento en diversas operaciones marítimas, sin embargo, su despliegue no está exento de desafíos operativos que deben ser abordados para garantizar su eficacia y seguridad. Estos robots están a día de hoy ya presentes en playas, puertos, dársenas, embalses, algos, ríos, canales entre otros de los muchos lugares donde se requieren por sus ventajas en determinadas circunstancias.

A continuación, se detallan algunas de las problemáticas operativas más comunes asociadas a las operaciones con los USV y algunas soluciones de estas.

Vamos a dividirlas en estos campos:

• Propulsión
• Comunicación
• Acceso a punto de despliegue y retirada
• Condiciones de navegación y meteorología
• Independencia energética
• Mantenimiento y reparación
• Permisos y legalidad
• Estudios previos
• Test pre operación
• Seguridad y riesgos para los operadores

Propulsión

Los USV pueden enfrentarse a varios desafíos durante su navegación que pueden afectar a su capacidad de desplazamiento y movilidad. Estos incidentes pueden resultar en daños significativos en los componentes del USV, afectando su capacidad de operar de manera efectiva. Vamos a enumerar algunos de ellos:

Golpes en motores: Los obstáculos como troncos y algas pueden causar golpes en los motores, lo que puede resultar en la rotura de las hélices o incluso en que los motores sean arrancados. Tomando todas las precauciones posibles, estando trabajando en un lugar desconocido es posible golpearse con una roca a escasos centímetros de superficie sin margen de maniobra. Especialmente crítico es cuando se trabaja en los márgenes de las zonas a trabajar, donde un USV puede acceder respecto embarcaciones tradicionales sin embargo no está exento de un exceso de confianza del operador y embarrancar en zonas muy muy someras.

Obstáculos en superficie o semisumergidos: Los troncos, cañas y las algas pueden obstaculizar la navegación, dejando el USV sin movilidad o aumentando el consumo energético tremendamente al frenar la embarcación durante largos periodos de tiempo.

Vegetación y basura acuática: Elementos como redes de pesca, hilos de pesca, algas, plantas, bolsas de plástico y toallitas higiénicas pueden enredarse en las hélices de los motores del USV. Son el enemigo Nº1. La probabilidad de desprendimiento de una bolsa de plástico es alarmantemente más baja que un alga una vez se ha enredado en las hélices de los motores.

¿Qué podemos hacer?

Mantenimiento de motores: Un mantenimiento correcto de los motores permite que estos sean menos susceptibles a tener holguras donde se pueda introducir arenas o algas, además que optimizar el consumo eléctrico.  

Es beneficioso que los motores puedan montarse y desmontarse en el campo para facilitar su mantenimiento y reparación en caso de problemas.

Una posible solución para mitigar estos problemas es el diseño de sistemas de propulsión más robustos y protegidos (teniendo en cuenta la perdida de propulsión en función de la protección) y la implementación de tecnologías que permitan detectar y evitar obstáculos de manera autónoma.

Comunicación

La comunicación es un aspecto crítico en la operación de los USV, ya sea la comunicación operador-USV, accesorios-USV o USV-estación.

Enlaces Red 4G/5G: La red 4G/5G no siempre es constante en la zona de trabajo, especialmente en zonas remotas, cosa que puede dejar sin transmisión de datos o de control sobre la embarcación sin no hay sistemas auxiliares.

Enlaces de radio: Los enlaces de radio suelen tener distancias inferiores a las especificaciones técnicas de los componentes debido a la baja altura de las antenas del USV y del operador o estación base.

Tan importante es no perder el control de la embarcación como poder visualizar en todo momento la adquisición de los datos por los cuales se da la operativa. De nada sirve navegar 6 horas a ciegas si al terminar no hay ningún dato útil.

¿Qué podemos hacer?

Para aumentar la distancia de comunicación, se puede ganar altura, ya sea con antenas de USV más altas o situando al operario en una zona elevada.

También se pueden explorar soluciones de enlaces de radio con mayor alcance y de grados militares.

Hay alternativas o sistemas complementarios que pueden usarse dependiendo del modelo de USV que permiten establecer conexiones de corto alcance independientemente de las redes 4G o 5G.

Acceso a punto de despliegue y retirada

El acceso a la lámina de agua es más importante de lo que parece. No sería la primera vez que debido a un despliegue complicado se han tenido problemas con la integridad de los equipos que dan al traste con la jornada de trabajo.

Acceso fácil a la lámina de agua: Es esencial contar con un acceso fácil a la lámina de agua. De lo contrario, aumenta el riesgo de rotura de equipos y riesgo para los operarios. Es común que en gran mayoría de USV, el peso medio de ellos con baterías e instrumentación oscile entre los 35 y los 60kg, y si a este peso se le suma una pendiente pronunciada, terreno irregular, rocas o fango, hay la combinación ideal para que haya problemas antes de empezar a navegar.

Despliegue de USV en puertos: En los puertos se requiere de una rampa ya que es habitual que los muelles sean demasiado altos para el correcto despliegue de los USV. Es necesario contar con cuerdas, plumas o toros, lo que aumenta el riesgo para los equipos durante la manipulación.

Sitios de despliegue:

• Playa arena: a priori fácil, sin embargo, dependiendo del lugar puede contar con oleaje que rompe justo en la arena con lo que puede tener un riesgo algo si no se calculan bien los tiempos de despliegue.
• Muelle: complicado a no ser que sea un muelle a pocos cm de la lámina de agua o cuente con una rampa cercana.
• Rampa: ideal, cuidado con la vegetación resbaladiza de la orilla.
• Playa de roca: complicada la llegada hasta orilla. Riesgo para los equipos.
• Espigones: totalmente desaconsejado.
• Pantanos: acostumbran a ser bastante ideales para el despliegue.
• Ríos: muy variable, sin embargo, en los ríos se requiere contar con varios puntos de despliegue y retirada que hay que conocer de antemano.
• Canales de riego: complicados por pendiente pronunciada y abundante vegetación.

¿Qué podemos hacer?

PREVISIÓN. Conocer la zona de antemano y contar con alternativas o varios puntos de despliegue en caso de dificultades en alguno de ellos. Algunas veces habrá que desplegar desde barcos o grúas, por lo que ellos equipos deberán estar equilibrados y que puedan garantizar su integridad en este tipo de despliegues.

Condiciones de navegación y meteorología

La adaptación a condiciones adversas y la implementación de sistemas de protección adecuados son esenciales para garantizar el desempeño óptimo de los USV en diferentes entornos marítimos y acuáticos continentales.

Oleaje: Los USV deben ser insumergibles y estancos debido al oleaje, y los componentes deben estar fijos para evitar roturas en los movimientos ondulantes y bruscos de la navegación.

Condiciones adversas: Los equipos deben estar adaptados a condiciones adversas que pueden suceder en el campo durante la jornada operativa y deben tener algún tipo de protección para el agua y la lluvia.

Cambios en la meteorología: cualquier trabajo de campo está sujeto a esta variable que hay que controlar en la medida de lo posible.

¿Qué podemos hacer?

Los USV acostumbran a tener en cuenta el medio en el cual trabajan, estando preparados para ello hasta cierto punto. Pedir a un USV que aguante un temporal de fuerza 8 no es realista. También tener en cuenta que no es igual un oleaje de viento de 20 nudos, con periodo muy corto y olas pequeñas que mar de fondo con olas de 1,5m en condiciones más estables. Es más seguro el trabajo en olas de 1,5m que un choppy repentino debido al viento térmico que se levanta por las tardes en zonas de la costa.

Los componentes internos y externos tienen que estar fijos para evitar roturas en los movimientos ondulantes y bruscos de la navegación.

Tiene que estar adaptado a condiciones adversas que pueden sucederse en el campo durante la jornada de operativa. Los equipos y accesorios deben tener algún tipo de protección para el agua y la lluvia que puede suceder en campo.

Previsión y control con las herramientas al alcance acerca de la previsión de oleaje, lluvias, temperatura, entre otros. En cuanto a costes, más vale ir mañana con buenas perspectivas que no hoy con mala previsión, no poder trabajar, y volver mañana con prisa.

Independencia energética

La gestión energética tiene un peso importante en operatives de campo en la que todos los instrumentos y accesorios funcionan con energía eléctrica.

Dado que las jornadas operativas pueden ser prolongadas, es fundamental asegurar la disponibilidad de suficiente energía y baterías para los USV, así como para los equipos de control y otros accesorios.

Energía para el USV: Una jornada operativa puede ser muy larga, por lo que es necesario tener suficientes baterías para el USV. La opción de tener baterías de sobras es la recomendada, sino contar con un sistema de carga que permita el poder trabajar e ir cargando baterías sincrónicamente. Aunque en campo en zonas remotas esta última opción no acostumbra a ser viable.

Energía para el mando de control y otros accesorios: No hay que olvidar también la energía suficiente para el mando de control y otros accesorios como las estaciones de tierra, ordenadores portátiles de campo y teléfonos móviles. No hay nada peor que dejar de trabajar porque no puedes cargar el mando de control.

¿Qué podemos hacer?

La preparación meticulosa de la misión, incluyendo la elaboración de líneas de navegación, cálculos de tiempo y pruebas pre-operativas, contribuye significativamente a la eficiencia y seguridad de las operaciones con USV.

Generador eléctrico: Un generador eléctrico puede solventar gran parte de estos problemas, además de permitir trasladar la energía del vehículo de desplazamiento a cualquier dispositivo si se requiere.

Baterías de recambio y powerbanks: Contar con abundantes baterías y powerbanks para los accesorios tienen un impacto tremendo en el momento de poder terminar el trabajo en el tiempo requerido o no.

Mantenimiento y reparación

Aun teniendo las máximas precauciones y seguir con exactitud todos los pasos para una operación perfecta, es habitual que surjan imprevistos que ponen en un apuro el día.

En el campo hay que llevar repuestos y herramientas que, si no puede repararse, pueda solventar temporalmente un problema para continuar con la operación. Evidentemente en la medida de lo posible, no vamos a llevar todos los equipos duplicados. Pero si las partes más susceptibles de roturas o desgaste como motores, antenas, baterías, cables principales, entre otros.

Junto a eso, para evitar futuros problemas y alargar al máximo la vida útil de este tipo de equipos que trabajan en ambientes hostiles hay que realizar el correcto mantenimiento siguiendo indicaciones del fabricante siempre.

Permisos y legalidad

El uso de USV está sujeto a marcos legales y regulatorios que varían según la jurisdicción. Es fundamental comprender y cumplir con los requisitos de permisos, autorizaciones y normativas aplicables en las áreas de operación.

En las operaciones con robótica marina, especialmente en USV, al ser algo muy nuevo, avanzado y tecnológico, provoca que un conjunto de actores involuntarios sean susceptibles de participar en una jornada de trabajo de campo.

Actores externos que se pueden involucrar en una operación:

• Policía local.
• Guardia Civil.
• Agentes rurales.
• Gestores y responsables de la zona.
• Curiosos.

¿Qué podemos hacer?

La obtención de los permisos necesarios y el cumplimiento de la legalidad son aspectos fundamentales en las operaciones con USV. Es imprescindible coordinar con las autoridades locales y los responsables de las zonas marítimas para garantizar el cumplimiento de las regulaciones y normativas vigentes.

Seguro de responsabilidad civil. Seguro de daños. Seguro de las embarcaciones.

Preparar un documento explicativo de la operación es una muy buena opción para presentar in situ a las autoridades que lo requieran. También puede ser enviado previamente a la operación para su validación. Con estas tecnologías nuevas facilita todo el explicar claramente y de una forma entendible de que se trata la operación con una embarcación autónoma.

Estudios previos

Este aspecto puede parecer banal, pero es uno de los mas importantes para que los trabajo con robótica marina tengan, el ocasiones, un rendimiento superior a otros métodos.

Como inconvenientes en campo te puedes encontrar:

• Mal acceso o sin acceso a lámina de agua.
• Mala meteorología
• Obstáculos y vegetación
• Eventos que impiden el trabajo
• Insuficiente red 4G o 5G
• Insuficiente señal de GNSS por obstáculos
• Otros

Todos estos factores pueden dar al traste con la operación y con ello una perdida de tiempo y recursos.

¿Qué podemos hacer?

Es fundamental el estudio previo de la zona a trabajar:

Visualización de la zona: Es necesario visualizar días antes la zona mediante imágenes satelitales actualizadas y realizar visitas previas a la zona para garantizar su viabilidad.

Estudio de la vegetación y los obstáculos: Es importante investigar o conocer en la medida de lo posible la vegetación y los obstáculos que habrá en la zona.

Preparación de la misión teórica: Es importante la preparación de la misión teórica mediante la elaboración de las líneas de navegación, el cálculo del tiempo requerido y la adición de márgenes de tiempo oportunos para un buen cálculo del tiempo empleado en campo previo.

Test pre-operación de los equipos

¿Te imaginas llegar al campo y darte cuenta de que no funciona el enlace radio entre el mando de control y el USV? ¿Y si sabes que la solución es conectar un cable interno, pero no tienes un destornillador? ¿O que de repente no tienes señar GNSS y no entiendes por qué?

Esto que puede parecer simple y estúpido puede acabar con una misión antes de empezar después de un desplazamiento de 4 horas.

¿Qué podemos hacer?

FUNDAMENTAL. Test de todos los equipos un día o los días previos a la operación. En el taller o la oficina se cuentan con infinidad mas de recursos si hay algún componente que se ha desgastado, si hay que actualizar un software con una conectividad a internet robusta, si hay que cambiar un motor, etcétera etcétera. Incluso si hay que cambiar un simple cable o cerrar una tapa con un tornillo.

Revisión de conexiones, transmisión de datos, visualización, instrumentación funcional, imagen de cámaras, sensores, GNSS, softwares específicos, propulsión y sistema de energía: Es necesario revisar todos estos aspectos para garantizar la correcta operación de los USV.

Esto con un buen mantenimiento a la vuelta de la operación alargará enormemente la vida de los equipos y va a hacer aumentar la tasa de éxito de todas y cada una de las operaciones de adquisición de datos mediante robótica marina.

Seguridad y riesgos para los operadores

Cuando se trabaja en exteriores, la seguridad de los operadores es fundamental. Se está utilizando una herramienta que reduce el riesgo humano sin embargo no hay que dejar de prestar atención a lo siguiente:

• Clima: El frio y el calor extremo son habituales en etas operaciones.
• Lugares remotos sin comunicaciones: es un riesgo para avisar si algún evento sucede.
• Entorno marino: el ambiente marino y acuático es agresivo para exposiciones prolongadas del cuerpo humano.
• Entorno natural: parece broma, pero en estos entornos remotos hay que prestar especial atención a la fauna y flora del lugar, así como controlar el terreno. Puede haber fangos en las cercanías de lagos o estanques que pueden atrapar al operador.
• Riesgos derivados de la navegación en embarcaciones náuticas: tener en cuenta los riesgos asociados a la navegación con embarcaciones, seguridad en la mar, etc.
• Riesgos derivados de la manipulación de equipos: se trabaja con equipos eléctricos lo que conlleva un riesgo eléctrico durante la manipulación incorrecta de los operadores. También en el transporte pueden a ver riesgos físicos debido al peso de algunos de los sistemas o del desplazamiento en entornos agrestes.

¿Qué podemos hacer?

Dotar a los operadores de los equipos personales necesarios para el trabajo. Ropa adecuada al clima frio o cálido. Vadeadores para trabajos en la que tengan que introducirse parcialmente en el agua. Gafas de sol, crema solar, gorras y sombreros, abundante hidratación y comida es básico, las operaciones pueden alargarse todo el día y hay que prever estos suministros si no hay un acceso rápido a ellos. Calzado adecuado de seguridad.

CONCLUSIONES

Hay que tener en cuenta todo lo comentado en este artículo puede optimizar enormemente las operaciones de campo mediante robótica marina. El objetivo de estas operaciones es la adquisición de datos variables, con seguridad, minimizando el riesgo, en un tiempo coherente y con un menor coste que mediante métodos tradicionales. Es por eso que no hay que olvidarse de estos aspectos ya que pueden provocar que no se consigan los objetivos requeridos.

Se adjunta una tabla con el resumen de lo comentado anteriormente: