Los sistemas de referencia de actitud y rumbo (AHRS) son sistemas de referencia de orientación que calculan de forma continua el balanceo, el cabeceo y el rumbo mediante giroscopios, acelerómetros y fuentes auxiliares, como magnetómetros o GNSS. Los instrumentos AHRS marinos facilitan la navegación, el control de vehículos, los levantamientos hidrográficos, la alineación de sonares, la estabilización de la carga útil y el posicionamiento de sensores científicos.
En esta página se presentan proveedores y fabricantes de sistemas AHRS que ofrecen soluciones para vehículos submarinos autónomos (AUV), vehículos submarinos teledirigidos (ROV), vehículos submarinos no tripulados (USV), embarcaciones de superficie, boyas y observatorios oceánicos fijos.
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Un sistema de referencia de actitud y rumbo (AHRS) determina la orientación de una plataforma marina o de un instrumento mediante el cálculo continuo del balanceo, el cabeceo y el rumbo. Un sistema AHRS típico combina giroscopios y acelerómetros con magnetómetros, mediciones GNSS u otras fuentes auxiliares. Los algoritmos de fusión de sensores procesan estas mediciones para mantener una estimación estable de la orientación a medida que se desplaza la plataforma. El rumbo indicado puede ser magnético o verdadero, en función de la referencia de rumbo, las fuentes auxiliares y la configuración del sistema.
Los instrumentos AHRS marinos proporcionan datos de referencia para la navegación, el control de vehículos, los levantamientos hidrográficos, la alineación de sonares y el posicionamiento de sensores científicos. Pueden integrarse en buques de superficie, plataformas autónomas, vehículos teledirigidos, boyas y otros sistemas oceanográficos. A diferencia de una unidad de medición inercial (IMU) básica, una unidad AHRS proporciona una solución de actitud referenciada en lugar de limitarse a suministrar mediciones inerciales.
Los módulos AHRS basados en MEMS utilizan giroscopios y acelerómetros de sistemas microelectromecánicos (MEMS) para proporcionar una detección de actitud compacta y de consumo relativamente bajo. Su reducido tamaño los hace adecuados para vehículos submarinos autónomos (AUV), vehículos teledirigidos (ROV), vehículos de superficie no tripulados (USV), boyas e instrumentos científicos integrados. El rendimiento depende de la calidad de los sensores, la calibración, la compensación de temperatura, la dinámica del vehículo y las mediciones externas disponibles para limitar los errores inerciales.
AHRS MEMS de Advanced Navigation.
Los instrumentos AHRS de fibra óptica utilizan giroscopios de fibra óptica para medir la rotación. Estos sensores pueden ofrecer una mayor estabilidad de sesgo y una menor deriva angular que muchos dispositivos basados en MEMS, lo que los hace adecuados para aplicaciones que requieren datos estables de actitud y rumbo marinos durante períodos más largos o en condiciones de funcionamiento exigentes.
Los sistemas AHRS asistidos por GNSS combinan mediciones inerciales con información sobre la velocidad, la posición o el rumbo obtenida por satélite. Las configuraciones de doble antena y de múltiples antenas pueden determinar el rumbo a partir de la posición relativa de la fase portadora de antenas separadas, en lugar de basarse en el campo magnético terrestre o en el movimiento del vehículo. Este enfoque resulta especialmente útil para buques de superficie y plataformas de prospección que cuenten con una disponibilidad constante de GNSS y una separación adecuada entre antenas.
Los instrumentos AHRS sin magnetómetro utilizan referencias de rumbo alternativas, como el rumbo GNSS, sensores inerciales con capacidad de giroscopio o una referencia de rumbo suministrada externamente. Resultan útiles cuando los motores eléctricos, las estructuras de acero, los sistemas de alimentación o los equipos cercanos podrían perturbar las mediciones magnéticas. Esto puede resultar especialmente importante en vehículos marinos compactos, en los que la separación entre el sensor de rumbo y las posibles fuentes de interferencia es limitada.
Los datos de navegación del AHRS proporcionan una estimación continua de la orientación de la plataforma para los sistemas de guía y navegación. El balanceo, el cabeceo y el rumbo pueden combinarse con datos del GNSS, el log de velocidad Doppler (DVL), el posicionamiento acústico, las mediciones de profundidad u otros datos de navegación para determinar cómo se orienta un vehículo de superficie o submarino mientras sigue su ruta prevista.
AHRS para ROV/AUV de Impact Subsea
Un AHRS proporciona información sobre la actitud a los sistemas de control del vehículo encargados de mantener un movimiento estable. En los AUV, ROV y USV, las mediciones rápidas del balanceo y el cabeceo permiten que los algoritmos de control respondan a las perturbaciones causadas por las corrientes, las olas, las fuerzas de propulsión y las maniobras. El AHRS proporciona los datos de medición, mientras que el controlador del vehículo ordena la acción correctiva necesaria.
Los datos del AHRS de un ROV pueden mejorar la percepción de la situación durante la teleoperación, al proporcionar a los pilotos una indicación continua del rumbo y la actitud del vehículo. Esto resulta especialmente útil en entornos con baja visibilidad, donde las referencias visuales son limitadas, y cuando un operador debe mantener una orientación específica con respecto a estructuras submarinas, tuberías u objetivos científicos.
La información sobre el rumbo marino puede suministrarse al piloto automático y a los sistemas de control autónomo para mantener un rumbo preestablecido. Las mediciones de alta frecuencia del AHRS permiten al sistema de control detectar rápidamente los cambios de rumbo y compensar las perturbaciones antes de que se produzcan desviaciones sustanciales del rumbo.
Los datos de orientación pueden utilizarse para estabilizar cámaras, sistemas de sonar, antenas y otras cargas útiles direccionales. Al medir el movimiento de la plataforma independientemente de la carga útil, el AHRS ayuda a los sistemas de estabilización a mantener la dirección de apuntado requerida mientras una embarcación o un vehículo se balancea, se inclina o cambia de rumbo.
Las mediciones hidrográficas, acústicas y oceanográficas a menudo deben relacionarse con un sistema de coordenadas referenciado a la Tierra. Las mediciones precisas de la actitud permiten que el software de levantamiento compense el movimiento de la embarcación y transforme las observaciones del marco del sensor, pasando por el marco de la plataforma, al marco de navegación requerido o al marco referenciado a la Tierra. Para este proceso resultan fundamentales una sincronización temporal precisa, la alineación de los sensores y la medición correcta de los desplazamientos de montaje y del brazo de palanca.
Un AHRS para AUV proporciona información sobre el balanceo, el cabeceo y el rumbo con fines de guía, control, cartografía y alineación de la carga útil. Dado que las señales GNSS no están disponibles mientras el vehículo se encuentra sumergido, un AUV puede combinar su AHRS con un DVL, un sensor de presión, un sistema de posicionamiento acústico o un sistema de navegación inercial (INS) más amplio para mantener una referencia de navegación submarina a lo largo de toda la misión.
Un AHRS de un ROV facilita el pilotaje, el control de mantenimiento de posición, las operaciones del manipulador, la interpretación del sonar y la inspección submarina. Un sensor de rumbo submarino instalado directamente en el vehículo también requiere una protección adecuada contra la presión y la integración con otros instrumentos de navegación utilizados para determinar la posición y el movimiento del ROV.
Un AHRS para USV proporciona información sobre la actitud y el rumbo para la navegación autónoma, el gobierno, la estabilización de la carga útil y la recopilación de datos científicos. Los módulos AHRS compactos resultan especialmente valiosos en vehículos más pequeños con capacidad de carga útil y potencia eléctrica limitadas. La ayuda del GNSS puede proporcionar una referencia adicional de rumbo o velocidad durante las operaciones en superficie.
Los sistemas AHRS para buques de superficie proporcionan mediciones de balanceo, cabeceo y rumbo que se utilizan para corregir y georreferenciar las observaciones del sonar. Los errores en la actitud, la alineación de los sensores, la sincronización, las desviaciones de montaje o la configuración del marco de referencia pueden repercutir en los resultados de los levantamientos, por lo que el rendimiento del AHRS forma parte de la incertidumbre global del sistema de medición hidrográfica.
Los buques de investigación pueden distribuir datos de actitud y rumbo marinos al sonar, a los equipos de posicionamiento acústico, a las antenas, a los sistemas de imagen y a las cargas útiles científicas. Es importante disponer de marcas de tiempo precisas y de marcos de coordenadas coherentes cuando los datos procedentes de múltiples instrumentos deban combinarse posteriormente en una referencia espacial común.
Las boyas y los observatorios fijos pueden utilizar sensores AHRS para supervisar la orientación de los instrumentos, el movimiento inducido por las olas o los cambios en la actitud de la plataforma. Un sensor de rumbo resistente al agua también puede proporcionar información direccional para sensores acústicos, cámaras, sistemas de medición de corrientes y otros instrumentos cuya salida dependa de su orientación física.
Las tecnologías del sistema de referencia de actitud y rumbo (AHRS), la unidad de medición inercial (IMU), la unidad de referencia vertical (VRU), la unidad de referencia de movimiento (MRU) y el sistema de navegación inercial (INS) se solapan, pero proporcionan distintos niveles de información inercial, de movimiento y de navegación.
| Sistema | Detección y procesamiento típicos | Salidas principales |
| AHRS | Núcleo de detección de la IMU con estimación de actitud y referencia de rumbo | Balanceo, cabeceo, rumbo |
| IMU | Giroscopios y acelerómetros | Velocidad angular y fuerza específica |
| VRU | Sensores inerciales con procesamiento de referencia vertical | Balanceo y cabeceo; en algunas implementaciones también se incluye el cabeceo vertical |
| MRU | Sensores inerciales con procesamiento de movimiento marítimo | Datos de balanceo, cabeceo, cabeceo vertical y movimiento |
| INS | IMU con estimación de navegación | Actitud, velocidad y posición |
La distinción entre los instrumentos AHRS, VRU, MRU e INS varía según las arquitecturas de los sistemas, especialmente cuando los productos proporcionan salidas de movimiento y navegación que se solapan. Su clasificación depende de las mediciones generadas, el procesamiento realizado, los sistemas auxiliares externos utilizados y las capacidades de navegación que ofrecen.
Sistema de referencia de actitud y rumbo (AHRS), el Ellipse Micro AHRS, de SBG Systems.
La integración de los AHRS marinos puede implicar varias normas de comunicación y requisitos ambientales:
La precisión requerida en el rumbo y la actitud, la frecuencia de actualización, la latencia, la estabilidad del giroscopio, el comportamiento de inicialización, la compatibilidad de las interfaces y los requisitos de calibración también influyen en la integración del AHRS en una plataforma marítima.
Varios avances están ampliando las capacidades de los sistemas AHRS marinos y submarinos:
Estos avances respaldan el uso de sistemas de referencia de actitud y rumbo en arquitecturas integradas de navegación marina, autonomía, prospección y medición oceánica.
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