¿QUÉ TENDENCIAS PODEMOS ESPERAR EN LA EVOLUCIÓN DE LOS USV EN LOS PRÓXIMOS AÑOS?

Introducción a los USV pequeños

Los Vehículos de Superficie No Tripulados (USV, por sus siglas en inglés) son embarcaciones autónomas que operan sin la necesidad de un piloto a bordo. Estos vehículos han ganado relevancia en diversas aplicaciones, incluyendo la investigación marina, la vigilancia y el monitoreo ambiental. Definimos como USV pequeños aquellos que miden menos de 2 metros de longitud y se destacan por su tamaño compacto y versatilidad.

El funcionamiento básico de un USV se centra en sistemas de navegación autónoma y control remoto. Equipados con sensores avanzados y tecnología de comunicación, estos vehículos pueden operar de forma independiente o ser controlados a distancia por un operador humano. Esta capacidad autónoma permite a los USV ejecutar misiones prolongadas en el mar o medio acuático, recolectando datos y realizando tareas sin necesidad de intervención constante.

La popularidad de los USV pequeños ha incrementado notablemente en los últimos cuatro años, impulsada por su eficiencia y capacidad para acceder a áreas de difícil alcance para embarcaciones más grandes. Esta popularidad se evidencia en la gran cantidad de fabricantes y modelos disponibles hoy en el mercado. Además, su tamaño reducido facilita el despliegue y recuperación, lo que resulta particularmente ventajoso en operaciones que requieren movilidad y rapidez.

En el ámbito de la investigación marina, estos vehículos son utilizados para la recopilación de datos oceanográficos, el mapeo de fondos marinos y el seguimiento de la vida marina. En cuanto a la vigilancia y el monitoreo ambiental, los USV pequeños ofrecen una solución eficaz y económica para la supervisión de áreas costeras, la detección de contaminación y la evaluación de ecosistemas acuáticos. Su capacidad para operar en condiciones adversas y su adaptabilidad a diferentes tipos de misiones los convierten en herramientas invaluables para científicos y autoridades en el sector ambiental.

TENDENCIAS Y EVOLUCIÓN POR CARACTERÍSTICAS

Ahora bien, ¿qué podemos esperar en los próximos años y viendo la tendencia actual en cuanto al desarrollo y evolución de estos USV de dimensiones reducidas?

Vamos a tratar de resumir mediante un conjunto de factores principales, dando una visión inicial a 2024 y aportando la posible evolución en los próximos años para cada uno de estos factores:

• Forma
• Versatilidad
• Autonomía
• Propulsión
• Despliegue
• Información en tiempo real y en la nube
• Comunicaciones y telemetria
• Evasion de obstaculos y enredos
• Materiales de fabricacion
• Montaje y desmontaje rápido
• Maniobrabilidad
• Velocidad de propulsión
• Inteligencia artificial (IA)

FORMA

La forma del casco del USV no debe tomarse a la ligera. De hecho, un diseño apropiado y depurado permite que el USV sea realmente útil para las tareas para la cual se le requiere. Un casco bien diseñado va a permitir navegar de una forma fluida y equilibrada, balanceada y que no tenga un excesivo fregamiento con el agua. Con ello, directamente proporcional va a ir la autonomía de trabajo.

Por otro lado, un diseño del casco robusto y estanco va a permitir poder operar en condiciones más adversas, incrementando así el rango de operaciones de modelos a priori muy pequeños y que en ciertas condiciones meteorológicas verían comprometida su integridad.

Finalmente, cascos con diseños bien estudiados van a permitir, por un lado, acceder a todos sus accesorios y electrónica interna para su redistribución, integración, mantenimiento, estanqueidad y reparación de una forma fácil y rápida, y, por otro lado, tener un espacio grande para integraciones de más y más instrumentación especializada en la recolección de datos.

Si damos un vistazo exhaustivo al mercado, vamos a poder comprobar las siguientes pautas:

• Mayoría de modelos con forma de catamaran, con dos cascos e incluso 3 en algún modelo. (55-65%)
• Menor medida para formas de casco individual. (30-35%)
• Otras formas (5-10%)

¿Hacia dónde podemos esperar que evolucione este aspecto?

Parece ser que la forma de catamarán tiene un conjunto de ventajas que hace que, al final del día, sea la combinación más ventajosa para este tipo de USV. Una buena estabilidad de navegación, un espacio considerable en su interior, puede ser más compacto que un monocasco y principalmente el espacio que se genera en medio de cada casco parece ser que va a continuar siendo en los próximos años la forma más ventajosa para los fabricantes de USV.

En los proximos años vamos a ver como se va a optimizar la forma de catamarán para los USV, probablemente apareciendo nuevas versiones en las que puedan ampliar o reducir el espacio entre cascos en función de la instrumentación que debe llevar y el trabajo a realizar.

VERSATILIDAD

En cuanto a la capacidad de aceptar diferentes tipos de instrumentación especializada para la recolección de datos acuáticos:

• Una mayoría es capaz de integrar diferentes tipos de «payload» entre los cuales destacan cámaras, ecosondas monohaz, ecosondas multihaz, sondas multiparametricas, lidar, side scan sonar, GNSS RTK, ADCP. Podemos llamarles dispositivos más versátiles.
• Una minoría tiene poca o nula capacidad para integrar diferentes dispositivos, ya que se han diseñado con el espacio y forma concretas para integrar un solo instrumento, por ejemplo, una ecosonda monohaz. Podemos llamarle dispositivos menos versátiles.

¿Hacia dónde podemos esperar que evolucione este aspecto?

Ciertamente, parece ser que la tendencia es fabricar unidades básicas de USV que puedan ser complementados con accesorios capaces de integrar la máxima cantidad de instrumentación. Este tipo de tecnologías novedosas necesitan poder ampliar el abanico de operaciones contando con gran cantidad de sensores para introducirse en el mercado, por lo que cuantas más funcionalidades pueda tener el USV y cuantas más problemáticas pueda solventar a la vez, más probabilidad de ser un éxito en ventas va a tener.

Sin embargo, también se observa una cierta especialización de algunos fabricantes que cuentan con un reducido número de integraciones de payload, y ofrecen un servicio muy integral y muy trabajado en sensores y sondas muy concretas. Esta tendencia puede seguir en los próximos años y en ciertos fabricantes, si los demás no consiguen llegar a un cierto nivel de calidad y robustez de integración de ese tipo de instrumentación, manteniéndose entonces como referentes únicos en ese tipo de unidad USV con un sensor concreto, por ejemplo, un ADCP integrado en USV especializado en ríos con corrientes fuertes.

AUTONOMÍA

En la actualidad (año 2024) las autonomías de trabajo de los USV pequeños son variables. Esto es por qué debido a la diferencia entre formas de casco y tamaño, cada fabricante ha optado por incluir más o menos cantidad de baterías, además de que cada USV con su instrumentación integrada tiene diferentes consumos energéticos.

Como forma genérica podemos afirmar que de MEDIA, los USV pequeños tienen unas autonomías que pueden oscilar entre las 2,5 horas y 4 horas. Obviamente, hay fabricantes que aseguran unas autonomías mayores, pero habría que realizar pruebas en diferentes ambientes y condiciones para validarlo, al menos desde la experiencia que tenemos en V-Spatial.

Entra en juego también las siguientes capacidades que pueden aumentar de forma real esta autonomía de trabajo:

• Capacidad de poder cambiar baterías de forma instantánea para continuar el trabajo: En este caso es muy simple, si tienes baterías de recambio cargadas y puedes cambiarlas al momento, tu autonomía es prácticamente ilimitada.
• Capacidad de carga rápida de las baterías.: Si se pueden cargar baterías mientras se trabaja, y se consigue cargar baterías más rápido que el consumo de las baterías en uso, con solo 2 baterías (o el doble de las baterías necesarias para trabajar), puede tener autonomías ilimitadas, siempre y cuanto cuentes con una estación de carga en campo.

La química de las baterías que se usan habitualmente en estos USV es LiPo y LiFePo diferenciándose en cantidad de ciclos y seguridad de uso.

¿Hacia dónde podemos esperar que evolucione este aspecto?

• Implementación de sistemas de energía solar mediante paneles para alimentar ciertas funcionalidades de los USV en cuanto aumente el rendimiento de las placas solares. Actualmente, esta tecnología está muy limitada por el escaso tamaño y superficie de estos USV.
• Implementación de la tecnología de baterías de hidrógeno.
• Optimización en consumo eléctrico de cada uno de los componentes que forman el USV con lo que aumentar la autonomía.

PROPULSIÓN

En la actualidad, hay dos tipos de motores que se integran en los USV:

• Motores de helices tipo T200 o T500, como los de BlueRobotics, ampliamente utilizados.
• Motores tipo propulsor de agua.

Cada uno tiene sus ventajas e inconvenientes, sin embargo a 2024 son más populares los tipo hélice, y normalmente se protegen con rejillas para evitar los enredos con algas, cabos o basura marina.

¿Hacia dónde podemos esperar que evolucione este aspecto?

En cuanto a la velocidad, las mejoras en los sistemas de propulsión han permitido a los USV pequeños alcanzar velocidades más altas sin comprometer la estabilidad o el consumo de energía. La implementación de motores eléctricos más eficientes y el desarrollo de hélices y sistemas de propulsión más aerodinámicos han sido determinantes para alcanzar estos logros.

Esta evolución va a continuar en los años venideros, saldrán al mercado nuevos modelos más eficientes e incluso con diseños específicos para evitar el principal problema en la propulsión: los enredos en algas, basura o cabos. Al margen de la alimentación electrica, este factor es el más determinante en el éxito de una operación con USV. Ya hay algunos modelos que incluyen protectores de helice e incluso aseguran que las hélices son capaces de cortar cualquier elemento que se encuentren, cosa que no acaba de ser una verdad absoluta.

DESPLIEGUE

El despliegue en áreas de difícil acceso es otra razón por la que los USV pequeños han ganado popularidad. La capacidad de estos vehículos para operar en entornos desafiantes, tales como zonas con obstáculos submarinos o remotas, amplía las posibilidades de su uso en una variedad de escenarios. Los avances en la tecnología de sensores y sistemas de navegación han permitido que estos vehículos sean aún más eficientes y precisos en sus tareas.

Es verdaderamente significativo el abanico de opciones que permiten los USV, pudiendo trabajar a escasos centímetros de obstáculos, en zonas remotas dónde un despliegue de una embarcación tradicional es imposible, zonas con riesgo humano, último metro de profundidad en playas o embalses, etc.

¿Hacia dónde podemos esperar que evolucione este aspecto?

Queda claro que los USV amplían el abanico de operaciones respecto otro métodos, ahora bien, se ha comprobado que uno de los factores principales que llaman más la atención de los clientes potenciales de los USV es la capacidad que pueda tener el USV de ser desplegado y usado por 1 sola persona. Esto lo que significa en la realidad de mercado es una reducción de costes verdaderamente significante en relación a métodos más tradicionales. Este es uno de los factores principales que decantan la balanza de compra en los compradores respecto las diferentes opciones que existen en la actualidad.

Vamos a ver una especialización en los USV futuros en una reduccion drástica del peso y simplificación de funcionalidades y accesibilidad al uso para potenciar este factor, que una sola persona sea capaz de transportar, desplegar, adquirir datos de máxima calidad y recoger el equipo de forma autónoma y segura.

INFORMACIÓN EN LA MANO Y EN LA NUBE

En 2024 se está poniendo énfasis en emitir en tiempo real la información de campo a una estación operativa lejos del campo. La mayoría de los fabricantes ofrecen varias opciones para visualizar in situ la información que se está recopilando durante el trabajo.

Esta información se visualiza tanto en el mando de control como en una estación de tierra desplegada a pocos metros de la zona de trabajo.

¿Hacia dónde podemos esperar que evolucione este aspecto?

A medida que se establezca de forma definitiva y robusta, sin ningún tipo de duda se podrá transmitir vía satélite toda la información a estaciones operativas alrededor del globo terrestre. La tecnología tiene que avanzar un poco más, en forma de reducción de peso y tamaño de los receptores y antenas satelitales integradas en los USV pequeños, así como en la ampliación del ancho de banda satelital. Pero sin ningún tipo de duda, el futuro en la transmisión de la información va a seguir estos pasos.

Por otro lado, la capacidad de guardar toda la información en la nube de forma sincrónica al trabajo empezará a ser una realidad cuando las limitaciones de la conectividad 4G y 5G se reduzcan o bien se integren definitivamente las comunicaciones satelitales en los USV de reducido tamaño.

COMUNICACIONES Y TELEMETRIA

En este aspecto, actualmente el área de actuación de los USV pequeños queda restringida a pocos kilómetros, si contamos con la transmisión por radio entre el mando de control y el barco. Algunas unidades también cuentan con otro tipo de comunicaciones para establecer una conexión con la estación de tierra, pero estas también quedan restringidas a pocos cientos de metros y a algunos kilómetros en el mejor de los casos.

Sin embargo, la capacidad de dotar de 4G o 5G tanto al USV como a la estación de tierra permite una conexión global desde cualquier punto del planeta, lo que facilita la comunicación entre dispositivo y estación, y en menor medida, el control (que presenta algunas complicaciones de latencia). Ahora bien, este aspecto queda restringido a que en la zona de operación haya cobertura 4G o 5G, que en lugares remotos es inexistente, por lo que esta opción queda relegada a segundo lugar en la propia operación de campo en estas zonas, priorizando enlaces locales por radio.

¿Hacia dónde podemos esperar que evolucione este aspecto?

En cuanto a las comunicaciones comentadas anteriormente, no se esperan grandes cambios generales, solo optimización y robustez en las existentes.

Sin embargo, la evolución vendrá en lo que se ha comentado anteriormente en forma de conexiones y comunicaciones satelitales, dejando las conexiones por radio para el trabajo in situ, y para la transmisión de gran volumen de datos, imágenes y video en tiempo real, se utilizarán conexión y acceso a internet satelital.

EVITACION DE OBSTACULOS Y ENREDOS

En la actualidad, los USV cuentan con diferentes sistemas para evitar obstáculos, como pueden ser sensores de proximidad, lidar, radar y cámaras.

Los sensores avanzados, como los sistemas de radar y sonar de alta resolución, también han mejorado la capacidad de los USV para detectar y evitar obstáculos, así como para mapear y monitorear el entorno submarino con mayor precisión.

Sin embargo, sigue habiendo una limitación importante debido al entorno propio del trabajo acuático, donde se pueden tener obstáculos semisumergidos que son muy complicados de detectar mediante la tecnología actual.

Una breve lista de algunos obstáculos:

• Boyas
• Ramas
• Algas
• Bancos de medusas
• Basura marina: bolsas plastico, material higienico, cuerdas, hilos de pescar,…
• Vegetación flotante
• Rocas

¿Hacia dónde podemos esperar que evolucione este aspecto?

Este aspecto va a evolucionar hacia dos caminos:

• 1. Mejora en los sistemas de detección actuales y programación de actuaciones en función del obstáculo. Rodear, parar, girar, purgar motores, etc.
• 2. Protección directa a motores. Diseño de nuevos motores con capacidad de evitar enredos y otros obstáculos que impiden la navegación.

MATERIALES DE FABRICACIÓN

Los materiales utilizados en los USV actuales son:

• Fibra de vidrio: Método más tradicional que garantiza flotabilidad y posibilidad de reparación asequible.
• Plástico o derivados: Permite una fabricación más acelerada, buena flotabilidad y buenas propiedades de robustez. Sin embargo, puede carecer de reparación fácil si hay algún agujero producto de un choque.
• Aluminio: Permite una customización importante, aumenta el peso general y requiere de montaje y más mantenimiento que las otras opciones.

¿Hacia dónde podemos esperar que evolucione este aspecto?

Ya se está viendo actualmente que empiezan a aparecer nuevos materiales de fabricación, como por ejemplo, inflables o hinchables.

Aunque hay cierta reticencia en cuanto a la durabilidad, estabilidad y robustez, cada vez más los materiales de estos inflables son realmente fuertes para las condiciones adversas acuáticas. Se han expandido rápidamente en productos de ocio como paddlesurf de todos los tipos y formas, y en ciertas aplicaciones para USV, garantizando un trabajo de calidad, manteniendo la seguridad y robustez para los equipos. Sin embargo, se sacrifica espacio para integraciones diversas en un mismo equipo, pero se gana en rapidez de despliegue y peso.

Es esperable que en los próximos años aparezcan más tipos de USV hinchables y también unidades que combinan materiales como los comentados anteriormente junto con partes hinchables.

Otros materiales:

Uno de los materiales más destacados es el compuesto de fibra de carbono. Este material es ligero y ofrece una resistencia excepcional, lo que permite a los USV pequeños mejorar su rendimiento en el agua al reducir el peso total del vehículo sin comprometer la resistencia estructural. La fibra de carbono también es altamente resistente a la corrosión, lo que prolonga la vida útil del vehículo y reduce los costos de mantenimiento.

Otro material innovador que ha ganado popularidad es el termoplástico reforzado con fibra (FRP). Este material no solo es ligero y resistente, sino que también es reciclable, lo que lo convierte en una opción más sostenible. Los recientes desarrollos en la tecnología de…

MANIOBRABILIDAD

La maniobrabilidad es una de las ventajas más significativas de los USV pequeños. Estos vehículos son capaces de realizar movimientos precisos y rápidos, lo que resulta esencial en operaciones de inspección y monitoreo en entornos complejos, como puertos, ríos y áreas costeras. Además, los USV compactos pueden operar en espacios reducidos donde los vehículos más grandes simplemente no podrían acceder.

En función del tipo de propulsión, la maniobrabilidad puede ser diferente. Los aspectos principales e importantes de maniobrabilidad para todos los USV son los siguientes:

• Capacidad de dar marcha atrás.
• Capacidad de girar 180º en el propio eje.
• Capacidad de frenada instantania.

Con estos tres aspectos depurados, la excelente maniobrabilidad del USV está garantizada.

¿Hacia dónde podemos esperar que evolucione este aspecto?

Podemos esperar en los próximos años mejoras en la fluidez de navegación y mayor rapidez en la ejecución de las órdenes procedentes del mando de control. Además, con la mejora de los sistemas GNSS integrados en los USV, cuando se trabaje en modos automáticos con trayectorias precisas, estas serán más exactas y confiables.

VELOCIDAD PROPULSION

Este es un tema controvertido. El mercado está lleno de USV que se muestran navegando a altas velocidades de 5 m/s o más, con un cabeceo tremendo y levantando una espuma y turbulencias considerables. Esto no sería un problema en una embarcación de ocio; sin embargo, hay que recordar que los USV existen para recolectar una serie de datos que deben tener una calidad elevada. La cantidad de datos erróneos es directamente proporcional a los cabeceos, giros y turbulencias que genera un USV durante la navegación.

Se ha demostrado que velocidades entre 1-2 m/s son adecuadas para la adquisición de datos con ecosondas multihaz y monohaz con una buena calidad. Esto es diferente en embarcaciones tradicionales, que debido a su eslora y envergadura, pueden ir más rápido sin presentar turbulencias considerables en las zonas donde se integran los instrumentos. No es así con los USV: al ser tan pequeños, se ven envueltos en su totalidad por espuma y turbulencias a velocidades altas.

¿Hacia dónde podemos esperar que evolucione este aspecto?

Muchas unidades empiezan a tener diferentes velocidades durante una operación de adquisición de datos. Esto va a continuar así, pudiendo contar con:

1. Velocidad de despliegue o transporte a la zona de trabajo: una velocidad alta para llegar a la zona de trabajo, volver, cambiar de zona, etc. SIN ADQUISICIÓN de datos.
2. Velocidad de trabajo: velocidad reducida en la que se minimicen la turbulencia y los cabeceos y los datos adquiridos tengan una calidad suficiente. CON ADQUISICIÓN de datos.

Claro está que, dependiendo del tipo de trabajo y la instrumentación integrada, estas velocidades pueden variar.

INTELIGENCIA ARTIFICIAL (IA)

La inteligencia artificial (IA) y la robótica avanzada están a la vanguardia de estas innovaciones, prometiendo transformar la capacidad operativa y la autonomía de los vehículos de superficie no tripulados (USV). La aplicación de algoritmos de aprendizaje automático permitirá a los USV pequeños realizar tareas complejas de manera autónoma, como la navegación y la toma de decisiones en tiempo real, mejorando su eficiencia y reduciendo la necesidad de intervención humana.

La IA se aplica en varias etapas del proceso de trabajo con USV:

• Procesamiento de Imágenes: La IA puede mejorar la calidad de las imágenes y detectar objetos de interés, como barcos o estructuras submarinas.
• Fusión de Datos: La IA combina datos de diferentes sensores (como imágenes y sonar) para obtener una visión más completa del entorno.
• Planificación de Rutas: Los algoritmos de IA pueden optimizar las rutas de los USV para maximizar la cobertura y minimizar el tiempo de muestreo.
• Detección de Anomalías: La IA ayuda a identificar patrones anómalos en los datos, como cambios en la temperatura del agua o la presencia de contaminantes.

¿Hacia dónde podemos esperar que evolucione este aspecto?

• La IA seguirá evolucionando, mejorando la precisión y la eficiencia en la adquisición de datos geoespaciales.
• Se espera que los USV sean más autónomos, capaces de tomar decisiones en tiempo real basadas en datos y modelos predictivos.
• La IA también se aplicará en la interpretación de datos, como la detección de especies marinas o la evaluación de la salud del ecosistema.

CONCLUSIONES

Los Vehículos de Superficie No Tripulados (USV) pequeños, aquellos con una longitud menor a 2 metros, están revolucionando diversas aplicaciones marítimas debido a su tamaño compacto, versatilidad y capacidad de operación autónoma o a control remoto. Estos vehículos, equipados con sensores avanzados y tecnologías de comunicación, pueden realizar misiones prolongadas en entornos acuáticos sin intervención constante, recolectando datos valiosos para investigación marina, vigilancia y monitoreo ambiental.

Tendencias y Evolución Futura

• Forma: El diseño de catamarán predomina debido a su estabilidad y espacio para instrumentación. Se espera la optimización de esta forma, permitiendo ajustes en el espacio entre cascos según las necesidades de la misión.

• Versatilidad: La tendencia es hacia la fabricación de USV capaces de integrar una amplia variedad de instrumentos especializados. Sin embargo, también habrá unidades especializadas con integraciones específicas.

• Autonomía: La autonomía de los USV pequeños varía entre 2.5 y 4 horas. Se espera la implementación de sistemas de energía solar y baterías de hidrógeno, así como mejoras en la eficiencia energética.

• Propulsión: Los motores de hélice y propulsor de agua seguirán evolucionando, con diseños más eficientes y resistentes a enredos. La velocidad de propulsión será ajustada para optimizar la recolección de datos.

• Despliegue: La facilidad de despliegue y operación por una sola persona será un factor clave. Los USV futuros serán más ligeros y simplificados para maximizar la eficiencia operativa.

• Información en Tiempo Real y en la Nube: Se avanzará en la transmisión de datos vía satélite, permitiendo operaciones globales y almacenamiento en la nube.

• Comunicaciones y Telemetría: La evolución se centrará en optimizar las comunicaciones satelitales y la robustez de las conexiones locales.

• Evitación de Obstáculos y Enredos: Mejoras en la detección de obstáculos y diseños de motores que eviten enredos serán cruciales para aumentar la operatividad en entornos difíciles.

• Materiales de Fabricación: Se explorarán materiales como la fibra de carbono y termoplásticos reforzados con fibra, que ofrecen ligereza, resistencia y sostenibilidad. También surgirán más USV inflables y combinaciones de materiales.

• Maniobrabilidad: Se mejorarán los sistemas de control para movimientos precisos y rápidos, esenciales en entornos complejos y confinados.

• Velocidad de Propulsión: Las velocidades se ajustarán según la tarea, diferenciando entre transporte y recolección de datos para optimizar la calidad de los mismos.

• Inteligencia Artificial (IA): La IA será fundamental en la navegación autónoma, toma de decisiones en tiempo real, procesamiento de imágenes, fusión de datos, planificación de rutas y detección de anomalías, mejorando la eficiencia y autonomía de los USV.

En resumen, los USV pequeños están transformando la ejecución de operaciones marítimas, con un crecimiento sostenido en su uso y capacidades tecnológicas. Las mejoras continuas en diseño, autonomía, versatilidad y comunicación, junto con la integración de la IA, abrirán nuevas posibilidades en la exploración y protección de los océanos.