ES2717718A1 - Drone River Stream Profiler (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

Abstract

Drone profiler of river currents. It consists in the development of a tool capable of locating different sensors in areas of difficult access within a river, reducing working times, the costs of operators and instrumentation and reducing labor risks in the measurement of physical - chemical parameters or bathymetries. It has autonomous propulsion and freedom of movement on the plane of the superficial sheet of water of a river, allows to put a sensor anywhere on the surface of the width of the river, without needing to get wet or to get inside it. The main parts of which it is made up are the remote control transmitter and the drone itself, comprising an aluminum frame to which the rest of the parts are anchored. The structural parts are: removable floats, steering flap and watertight box that will house the electronics. The rest is the propulsion system and sensors. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Dron perfilador de corrientes fluviales.Drone river flow profiler.

Sector de la técnica a la que se refiere la invenciónSector of the technique to which the invention relates

El sector de la técnica es el de la instrumentación del proceso de toma de datos e información de parámetros físicos y químicos dentro del medio acuático.The technical sector is the instrumentation of the process of data collection and information of physical and chemical parameters within the aquatic environment.

Ha de poder posicionarse en cualquier punto de la superficie de la lámina de agua, para poder realizar un trabajo completo y exhaustivo dentro de cualquier metodología para la toma de información dentro de un cauce de agua.It must be able to position itself at any point on the surface of the water sheet, to be able to carry out a complete and exhaustive work within any methodology for the collection of information within a water channel.

Estado de la técnicaState of the art

Los diferentes instrumentos que se encuentran hoy en día para realizar mediciones de algunos de los parámetros del cauce son:The different instruments found today to measure some of the parameters of the channel are:

Estaciones de aforo fijas: Son grandes construcciones de sección fija de hormigón en todo el ancho del cauce del río con una estación de medida. Se localizan entre grandes distancias de hasta cientos de kilómetros en el río y miden principalmente el caudal que las atraviesa simplemente.Stations of fixed capacity: They are big constructions of fixed section of concrete in all the width of the river bed with a measurement station. They are located between great distances of up to hundreds of kilometers in the river and measure mainly the flow that crosses them simply.

Perfiladores acústicos: Son sensores que se pasan suspendidos sobre la lámina de agua con medios auxiliares y que miden a velocidad y/o profundidad del agua.Acoustic profilers: These are sensors that are suspended on the water sheet with auxiliary means and that measure the speed and / or depth of the water.

Correntímetros: O sensores de velocidad instalados en el lecho del río en un punto fijo o en una orilla del cauce.Current meters: Or speed sensors installed in the river bed at a fixed point or on a riverbank.

Método tradicional: Aforo con jalones graduados para la profundidad y molinetes hidráulicos u otro instrumental de mano que obliga a los operarios a introducirse en el cauce cargando con el instrumental y realizando las mediciones en el interior de la corriente del río.Traditional method: Capacity with graduated pulls for depth and hydraulic windlasses or other hand instruments that oblige the operators to enter the channel carrying the instruments and making the measurements inside the river current.

Método tradicional con barcas o semisuspendidos: El instrumental es el mismo que con la metodología tradicional, pero en ríos en los que el operario no llega al fondo o las condiciones son muy peligrosas, se realiza desde una barca o con un sistema de tirolinas o cabinas que cruzan la sección del río.Traditional method with boats or semi-suspended: The instruments are the same as with the traditional methodology, but in rivers where the operator does not reach the bottom or the conditions are very dangerous, it is done from a boat or with a system of zip lines or cabins They cross the river section.

Mapas de inundabilidad: Software o soporte físico de cartografía con indicaciones de posibles límites topográficos calculados de inundación, dependientes del organismo competente de la gestión de la cuenca hidrográfica.Maps of flooding: Software or physical support of cartography with indications of possible topographic limits calculated of flood, dependent on the competent organism of the management of the hydrographic basin.

Los principales competidores en la ejecución de estos trabajos son:The main competitors in the execution of these works are:

Perfiladores acústicos:Acoustic profilers:

SonTek RiverSurveyor M9SonTek RiverSurveyor M9

(Patente No. U.S. 8.125.849) a nombre de la Empresa SonTek.(U.S. Patent No. 8,125,849) in the name of the SonTek Company.

SonTek RiverSurveyor S5SonTek RiverSurveyor S5

(Patente No. U.S. 8.411.530) a nombre de la Empresa SonTek. (Patent No. US 8,411,530) in the name of the SonTek Company.

Estos sistemas son la competencia directa del producto diseñado, pues ofrecen también datos de velocidad y/o profundidad de los tramos de río.These systems are the direct competition of the designed product, as they also offer speed and / or depth data of the river sections.

Entre los problemas de estos sistemas se encuentran:Among the problems of these systems are:

Precio elevado.High price.

La medición no se inicia a cota cero y es afectada por las irregularidades de la lámina de agua como olas o perturbaciones.The measurement does not start at zero level and is affected by irregularities of the water sheet such as waves or disturbances.

Limitados a dos parámetros máximos.Limited to two maximum parameters.

Limitado a medir por la sección de los anclajes y no moverse de esa sección.Limited to measure by the anchors section and not move from that section.

Comunicación por cable desde donde se encuentre el sistema en el río hasta una estación de recepción de datos necesaria en la orilla.Cable communication from where the system is located on the river to a necessary data reception station on the shore.

Precisa de un sistema de propulsión por poleas que han de anclarse a ambos extremos del río, teniendo que encontrar un paso cercano cada vez que haya que medir o un equipo en ambas orillas.It requires a pulley propulsion system that must be anchored to both ends of the river, having to find a nearby passage every time you have to measure or a device on both banks.

La tecnología e instrumental requerida para su funcionamiento es numeroso y de un alto coste económico.The technology and instruments required for its operation are numerous and of a high economic cost.

Precisan igualmente de personal especializado que trate y ajuste el producto y los datos obtenidos.They also need specialized personnel to treat and adjust the product and the data obtained.

Fondeadores o Correntímetros:Anchors or current meters:

Signature 75 NorTek (Patente No. US 5.208.785).Signature 75 NorTek (US Patent No. 5,208,785).

Fondeador NorTek (Patente No. US 7.352.651 B2),NorTek anchor (US Patent No. 7,352,651 B2),

1 de Abril del 2008 en el U.S. Patent Office para la empresa NorTek ASApril 1, 2008 in the U.S. Patent Office for NorTek AS

Sistemas de anclaje fijo en el lecho del río o a una estructura vertical dentro del cauce que registran la velocidad y/o profundidad del agua en el único punto donde se instale. Sus principales problemas son:Fixed anchoring systems in the riverbed or a vertical structure within the channel that records the speed and / or depth of the water at the only point where it is installed. Its main problems are:

Precio elevado.High price.

Limitado a uno o dos parámetros de medida.Limited to one or two measurement parameters.

Única medición en un solo punto del río. El resto de la sección se desconoce.Only measurement in a single point of the river. The rest of the section is unknown.

Precisa de un cable hasta la orilla.It requires a cable to the shore.

En la orilla necesita de un emplazamiento en que establecer el instrumental necesario para registrar los datos y emitirlos o almacenarlos.On the shore you need a location in which to establish the necessary instruments to record the data and issue or store them.

La estructura y el sensor al estar en contacto continuamente en el interior del agua tiene una vida útil más corta. The structure and the sensor being continuously in contact inside the water has a shorter lifespan.

Precisa mayor mantenimiento; tanto de los elementos aislantes, las conexiones electrónicas y la estructura.It requires more maintenance; both of the insulating elements, the electronic connections and the structure.

El mantenimiento es más complicado debido a permanecer inmerso y tener que izar toda la estructura junto con el sensor.Maintenance is more complicated due to staying immersed and having to lift the entire structure together with the sensor.

Precisan igualmente de personal especializado que trate y ajuste el producto y los datos obtenidos.They also need specialized personnel to treat and adjust the product and the data obtained.

Breve explicación de la invenciónBrief Explanation of the Invention

La invención consiste en el desarrollo de una herramienta que es capaz de situar diferentes sensores en zonas de difícil acceso dentro de un río.The invention consists in the development of a tool that is capable of placing different sensors in areas of difficult access within a river.

Reduce notablemente los tiempos de trabajo, los costes de operarios y de instrumentación; además de operarse desde el margen de la ribera, reduciendo los riesgos laborales en la medición de parámetros físicos - químicos o en batimetrías.It significantly reduces work times, operator and instrumentation costs; In addition to operating from the bank of the riverbank, reducing occupational hazards in the measurement of physical parameters - chemical or bathymetry.

La circulación de este dron, con propulsión autónoma y con libertad de movimiento sobre el plano de la lámina superficial de agua de un río permite poner un sensor en cualquier punto de la superficie de la anchura del río, sin necesidad de mojarse o introducirse dentro de la corriente de agua.The circulation of this drone, with autonomous propulsion and with freedom of movement on the plane of the surface sheet of water of a river allows to put a sensor at any point on the surface of the width of the river, without needing to get wet or enter into water flow

Las partes principales de las que se compone este dron son la emisora de control remoto y el dron, propiamente dicho.The main parts of which this drone is composed are the remote control station and the drone itself.

El dron se compone de un bastidor de aluminio al que se anclan el resto de partes. Las partes estructurales son los flotadores desmontables, el flap de dirección y la caja estanca que albergará la electrónica. El resto es el sistema de propulsión y los sensores.The drone is composed of an aluminum frame to which the rest of the parts are anchored. The structural parts are the removable floats, the steering flap and the waterproof case that will house the electronics. The rest is the propulsion system and the sensors.

Breve descripción de las figurasBrief description of the figures

Figura 1. Descripción del perfil del dron donde se aprecia el bastidor (1), la caja estanca que alberga la electrónica (2), el sistema GPS (3), el sistema de dirección (4), el sistema de equilibrio de los sensores (5), los propios sensores (6), los flotadores (7) y el sistema de propulsión (8).Figure 1. Description of the drone profile where the frame (1), the waterproof case that houses the electronics (2), the GPS system (3), the steering system (4), the sensor balancing system can be seen (5), the sensors themselves (6), the floats (7) and the propulsion system (8).

Figura 2. Descripción de la planta del dron donde se indican la ubicación del bastidor (1), el sistema de propulsión (8), los flotadores (7) y el alojamiento de los sensores (6) y el sistema de estabilización de estos (5).Figure 2. Description of the drone plant where the location of the frame (1), the propulsion system (8), the floats (7) and the sensor housing (6) and the stabilization system of these ( 5).

Figura 3. Esquema de conexión de las diferentes partes electrónicas del dron.Figure 3. Connection diagram of the different electronic parts of the drone.

Descripción detallada de la invenciónDetailed description of the invention

El dron consta de una plataforma flotante que se introduce en el río y se controla desde la orilla por medio de una emisora de radio control.The drone consists of a floating platform that enters the river and is controlled from the shore by means of a radio control station.

Esta plataforma lleva un sistema de propulsión eléctrico y control direccional sobre el plano de la lámina de agua desde la emisora de radio control.This platform carries an electric propulsion system and directional control over the plane of the water sheet from the radio control station.

Bastidor. Frame.

La estructura principal (1) es un marco rectangular de perfiles cuadrados metálicos. Se han instalado tubos como travesaños en el interior para reducir los esfuerzos de torsión a los que se pueda someter el marco principal.The main structure (1) is a rectangular frame of square metal profiles. Tubes have been installed as crossbars inside to reduce the torsional stresses to which the main frame can be subjected.

Sobre este marco, se han instalado en la parte trasera otro marco perpendicular al primero, que se han unido entre sí, en la parte superior para servir de bastidor sobre el que alojar el motor de propulsión del dron (8). Para un mejor reparto de las fuerzas, se ha conectado la parte superior de este nuevo marco con el principal por medio de otro perfil.On this frame, another frame perpendicular to the first one, which has been joined together, is installed in the rear part to serve as a frame on which to house the drone propulsion engine (8). For a better distribution of forces, the upper part of this new frame has been connected to the main one through another profile.

Se elevará sobre la última dimensión un bastidor para la instalación del motor de propulsión y con la altura suficiente para permitir el giro de la hélice de propulsión sin tocar el agua o algún elemento estructural o del medio de trabajo.A frame for the installation of the propulsion engine and with sufficient height to allow the rotation of the propeller propeller without touching the water or any structural element or of the working medium will be raised on the last dimension.

Flotadores.Floats

Los flotadores (7) son tubos con terminaciones acodadas a ambos lados, cerradas y estancas. El interior ha sido rellenado, añadiendo un peso ínfimo y creando un flotador sólido que en caso de rotura del tubo, mantendría una flotabilidad semejante y tendríamos la capacidad de recuperar el equipo y no hundirse.The floats (7) are tubes with ends angled on both sides, closed and sealed. The interior has been filled, adding a tiny weight and creating a solid float that in case of tube breakage would maintain a similar buoyancy and we would have the ability to recover the equipment and not sink.

Estos flotadores (7) se unen al marco principal (1) por medio de dos tramos de anclaje en la parte anterior y posterior de los mismos. Cuentan con un troquelado especial para adaptarse a la forma del marco. Se fijan a la estructura y son fácilmente desmontables y sustituibles en caso de transporte o rotura.These floats (7) are attached to the main frame (1) by means of two anchoring sections in the front and rear thereof. They have a special die cut to fit the shape of the frame. They are fixed to the structure and are easily removable and replaceable in case of transport or breakage.

Sistema de propulsión.Propulsion system.

Para la propulsión (8) se cuenta con un motor eléctrico específico para esta motorización, alimentado por baterías. El motor monta una hélice que crea la corriente de aire capaz de propulsar el dron a lo largo del plano de la lámina de agua.For the propulsion (8) there is a specific electric motor for this motorization, powered by batteries. The engine mounts a propeller that creates the current of air capable of propelling the drone along the plane of the water sheet.

La instalación de la propulsión sobre el medio aéreo y no sobre el acuático se debe a que de esta forma, los trabajos dentro del río, causan menos alteraciones en el medio para la fauna y flora ribereña.The installation of the propulsion on the air environment and not on the aquatic one is due to the fact that, in this way, the works inside the river, cause less alterations in the environment for the riparian fauna and flora.

Sistema de control direccional.Directional control system

El control direccional (4) se basa en aplicar fuerza mediante un servo motor a un timón bidireccional instalado en la parte frontal del dron que controla el flujo de agua que atraviesa el dron para posicionarlo. De esta forma, el elemento de control queda protegido por la propia estructura del dron.The directional control (4) is based on applying force by means of a servo motor to a bidirectional rudder installed on the front of the drone that controls the flow of water through the drone to position it. In this way, the control element is protected by the drone structure itself.

Se ensambla con uniones fijas. Sobre esta estructura se asienta en la parte delantera central (4), un flap o superficie móvil de control, que unida a un servo-motor controlado por la señal recibida desde la emisora, se mueve sobre unas bisagras, orientando el flujo de agua que circula a ambos lados y alterando el rumbo del dron en el interior de la lámina de agua.It is assembled with fixed joints. On this structure, a flap or mobile control surface, which, together with a servo-motor controlled by the signal received from the transmitter, moves on hinges, orienting the water flow that sits on the central front part (4) circulates on both sides and altering the drone's direction inside the water sheet.

La emisora es un producto comercial, adquirido para el control del dron dentro del río. El dron a su vez se divide en la conexión de dos circuitos alimentados de manera independiente, que diferencia entre los instrumentos de medición y el sistema de propulsión y control.The station is a commercial product, acquired for the control of the drone inside the river. The drone in turn is divided into the connection of two circuits fed independently, which differentiates between the measuring instruments and the propulsion and control system.

El sistema de propulsión (8) y control (4) se alimenta de una batería de la que se alimenta un motor variador y un servo-motor de dirección del timón. Estos se controlan por medio de la línea de datos desde las señales recibidas en el receptor de radio control desde la emisora. The propulsion (8) and control system (4) is powered by a battery that is powered by a drive motor and a steering servo motor. These are controlled by means of the data line from the signals received at the radio control receiver from the station.

Caja estanca de protección para la electrónica.Waterproof protection box for electronics.

Tanto el control de dirección del servo motor (4), como el sistema de propulsión (8), se encuentran conectados a un receptor de radio control alojado dentro de la caja estanca de protección (2), recibiendo las directrices dadas por el operario a través de la emisora de radio control en la orilla con la misma frecuencia de trabajo.Both the steering control of the servo motor (4), and the propulsion system (8), are connected to a radio control receiver housed inside the waterproof case (2), receiving the guidelines given by the operator to through the radio control station on the shore with the same working frequency.

Los sistemas de propulsión (8), control (4) y de medición (5)(6), se alimentan por baterías de manera independiente. De esta forma, el dron puede agotar sus recursos para propulsión, pero seguir teniendo control del dron y no extraviarlo en la corriente de agua. De igual forma, un fallo en la propulsión no afectaría a los elementos electrónicos de medición y viceversa.The propulsion (8), control (4) and measurement (5) (6) systems are powered by batteries independently. In this way, the drone can deplete its resources for propulsion, but still have control of the drone and not lose it in the water stream. Similarly, a failure in the propulsion would not affect the electronic measuring elements and vice versa.

Todos los elementos electrónicos que no sean sensores, elementos de control, propulsión o alimentación, se encontrarán protegidos en una caja estanca (2) situada sobre la estructura principal del dron. Esta caja estanca cuenta con una tapa móvil con apertura y cierre para poder acceder a toda la electrónica o sustituir las baterías.All electronic elements that are not sensors, control elements, propulsion or power, will be protected in a waterproof case (2) located on the main structure of the drone. This waterproof case has a mobile lid with opening and closing to access all the electronics or replace the batteries.

Los únicos agujeros con los que contará la caja (2), serán los de anclaje a la estructura del dron y uno para la salida de los cables de mando, dirección y propulsión. Todos ellos sellados con material impermeabilizante que mantendrán la estanqueidad original de la caja.The only holes that will have the box (2), will be those for anchoring the drone structure and one for the output of the control, steering and propulsion cables. All of them sealed with waterproofing material that will maintain the original tightness of the box.

Sensores.Sensors.

En la parte frontal del dron se instalan los sensores (5), que son transductores piezoeléctricos resistentes al agua que medirán los parámetros de profundidad y velocidad del agua por el principio de rebote de ultrasonidos y efecto Doppler respectivamente.The sensors (5) are installed on the front of the drone, which are water-resistant piezoelectric transducers that will measure the depth and speed parameters of the water by the principle of ultrasonic rebound and Doppler effect respectively.

En un lateral del marco principal y protegido por la estructura del dron se instala un sensor de temperatura y otro de turbidez (5), para medir ambos parámetros del agua. Estos datos son variables para realizar los cálculos por las placas de procesamiento de los datos de profundidad y velocidad del agua, pues las propiedades del medio se ven alteradas si estas variables cambian y han de tenerse en cuenta.On one side of the main frame and protected by the drone structure, a temperature sensor and a turbidity sensor (5) are installed to measure both water parameters. These data are variables to perform the calculations by the processing plates of the water depth and velocity data, since the properties of the medium are altered if these variables change and must be taken into account.

Sistema de estabilización de sensores.Sensor stabilization system.

Estos sensores se mantendrán siempre a cota cero constantes sobre la lámina de agua al instalarse sobre un sistema articulado para la estabilización de los sensores (6). El estabilizador cuenta con una placa de control configurable y una estructura articulada conectada a motores con sensores de posicionamiento giroscópicos en donde moverán un bastidor con los sensores a lo largo de varios ejes de rotación.These sensors will always be kept at a constant zero level on the water sheet when installed on an articulated system for the stabilization of the sensors (6). The stabilizer has a configurable control board and an articulated structure connected to motors with gyroscopic positioning sensors where they will move a frame with the sensors along several rotation axes.

Este movimiento hace que la medición de la profundidad sea desde el fondo hasta el mismo borde la lámina de agua con el aire, ofreciendo el dato de la dimensión total. También reduce las perturbaciones del medio como olas o remolinos que puedan afectar a la posición de emisión o recepción de los ultrasonidos enviados.This movement makes the measurement of the depth from the bottom to the same edge the sheet of water with the air, offering the data of the total dimension. It also reduces the disturbances of the environment such as waves or eddies that may affect the position of emission or reception of the sent ultrasound.

Sistema GPS.GPS system

Sobre el bastidor se fija un tubo sobre el que se montará la antena receptora para el sistema de georreferenciación de los datos (3). Todos los datos de medición irán asociados a unos datos de posicionamiento con latitud, longitud, altitud, fecha, hora, velocidad del dron, rumbo y número de satélites que recibe. El procesador del sistema de posicionamiento global (siglas en inglés GPS), se encontrará en el interior de la caja estanca (2). A tube is attached to the frame on which the receiving antenna will be mounted for the data georeferencing system (3). All measurement data will be associated with positioning data with latitude, longitude, altitude, date, time, drone speed, heading and number of satellites it receives. The global positioning system processor (GPS) will be inside the waterproof case (2).

Claims (2)

REIVINDICACIONES 1. Dron Perfilador de Corrientes Fluviales para el diagnóstico y medición de parámetros físicos y químicos de la cuenca fluvial y de los ríos, destinado a obtener valores, principalmente de profundidad, velocidad de la corriente, temperatura y turbidez, se caracteriza porque comprende:1. Drone Fluvial Currents Profiler for the diagnosis and measurement of physical and chemical parameters of the river basin and rivers, intended to obtain values, mainly of depth, current velocity, temperature and turbidity, is characterized by comprising: Un bastidor amplio (1) sobre el que implementar de manera modular, diferentes sensores (5) Cuenta con un sistema de alimentación diferenciando entre la propulsión (8) y dirección (4) dentro del cauce y otro para el abastecimiento de los sensores (5).A wide frame (1) on which to implement in a modular way, different sensors (5) It has a power system differentiating between the propulsion (8) and direction (4) inside the channel and another for the supply of the sensors (5 ). Cuenta con un sistema de estabilización de los sensores (6), articulado por dos rótulas mecánicas y motorizadas tanto en el eje vertical como el horizontal.It has a sensor stabilization system (6), articulated by two mechanical and motorized ball joints on both the vertical and horizontal axes. Habitáculo estanco (2) donde alojar y proteger los componentes electrónicos del agua. Sistema guiado por control remoto compuesto por una emisora que controla el operario y un receptor alojado en el interior del dron, al que va conectados los sistemas de control, dirección (4) y propulsión (8) de dicho dron.Waterproof cabin (2) where to house and protect the electronic components of the water. Remote control guided system consisting of a station that controls the operator and a receiver housed inside the drone, to which the control, steering (4) and propulsion (8) systems of said drone are connected. Sensores (5) construidos y calibrados dentro del medio acuático que son complementarios entre sí.Sensors (5) constructed and calibrated within the aquatic environment that are complementary to each other. Sistema de posicionamiento GPS (3) para la georreferenciación de cada uno de los puntos de medición tomados.GPS positioning system (3) for the georeferencing of each of the measurement points taken. Sistema de almacenamiento de los datos mediante un sistema de memoria flash.Data storage system using a flash memory system. Placas de programación en software libre.Programming boards in free software. 2. Dron Perfilador de Corrientes Fluviales, según reivindicación 1, se caracteriza porque utiliza sistemas de software libre para la programación de las placas procesadoras de los sensores. 2. Drone River Stream Profiler, according to claim 1, is characterized in that it uses free software systems for programming the sensor processing plates.