Title: Lagrangian coherent structure assisted path planning for transoceanic autonomous underwater vehicle missions
Author (s): A. G. Ramos, V. J. García-Garrido, A. M. Mancho, S. Wiggins, J. Coca, S. Glenn, O. Schofield, J. Kohut, D. Aragon, J. Kerfoot, T. Haskins, T. Miles, C. Haldeman, N. Strandskov, B. Allsup, C. Jones, and J. Shapiro.
Source: Scientific Reports 8, Article number: 4575 (2018) https://www.nature.com/articles/s41598-018-23028-8#Sec3
Date of publication: 15 de marzo 2018.
Abstract: En este artículo se muestra cómo un método matemático ideado por investigadores del Instituto de Ciencias Matemáticas ha conseguido que los drones gliders Slocum, vehículos que exploran los fondos marinos, alcancen velocidades sin precedentes con un mínimo consumo de batería.
Las velocidades récord se obtuvieron en una misión que cruzó el océano Atlántico norte entre abril de 2016 y marzo de 2017 en el marco de una de las Challenger Glider Missions, en la que participaron matemáticos, oceanógrafos e ingenieros. Las conclusiones y detalles de la misión se publican ahora en la revista Scientific Reports.
Los gliders Slocum son vehículos submarinos autónomos cuyo uso en oceanografía se está popularizando para explorar el fondo marino a muy bajo coste. No consumen prácticamente energía, solo en tareas de comunicación, medición y control de su inclinación.
“Son capaces de recorrer grandes distancias, funcionan con un mecanismo de propulsión que usa los cambios de flotabilidad, y permiten adquirir datos en áreas del océano de difícil acceso, como las situadas debajo de los ciclones tropicales, y de las capas de hielo en las regiones polares”, detallaba la investigadora del ICMAT Ana María Mancho.
Para dirigir su navegación, los científicos se comunican con el aparato en tiempo real, cuando emergen a la superficie en salidas periódicas programadas, pero es clave tener en cuenta las corrientes oceánicas, que afectan al rendimiento del vehículo, frenándolo o acelerándolo según su dirección. Victor Garcia-Garrido, coautor del trabajo, señala que “las matemáticas permiten encontrar una ruta óptima dentro de la dinámica turbulenta del océano, analizando estas corrientes”.
Las herramientas desarrolladas en el grupo de Mancho se emplearon para diseñar a tiempo real la navegación del glider Silbo. “La metodología matemática utilizada permitió al vehículo alcanzar velocidades sin precedentes, con un mínimo consumo de batería. Este enfoque esboza, a partir de las corrientes siempre cambiantes del océano, una estructura lagrangiana que identifica las barreras dinámicas”, agrega la investigadora del ICMAT.
Hasta el momento, para diseñar las trayectorias de los gliders se habían usado mapas de temperatura obtenidos mediante mediciones de satélite. Para Mancho, “esta experiencia ha probado que es posible encontrar caminos óptimos en un océano turbulento mediante la identificación de estructuras robustas, ampliando las posibilidades de exploración oceánica”. Además, con estos datos se ha podido verificar la fiabilidad de las representaciones disponibles de las corrientes oceánicas. Esta metodología podría aplicarse al estudio del océano y la atmósfera en diferentes contextos.
More information: Transoceanic Gliders are Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) for which there is a developing and expanding range of applications in open-seas research, technology and underwater clean transport. Mature glider autonomy, operating depth (0–1000 meters) and low energy consumption without a CO2 footprint enable evolutionary access across ocean basins. Pursuant to the first successful transatlantic glider crossing in December 2009, the Challenger Mission has opened the door to long-term, long-distance routine transoceanic AUV missions. These vehicles, which glide through the water column between 0 and 1000 meters depth, are highly sensitive to the ocean current field. Consequently, it is essential to exploit the complex space-time structure of the ocean current field in order to plan a path that optimizes scientific payoff and navigation efficiency. This letter demonstrates the capability of dynamical system theory for achieving this goal by realizing the real-time navigation strategy for the transoceanic AUV named Silbo, which is a Slocum deep-glider (0–1000 m), that crossed the North Atlantic from April 2016 to March 2017. Path planning in real time based on this approach has facilitated an impressive speed up of the AUV to unprecedented velocities resulting in major battery savings on the mission, offering the potential for routine transoceanic long duration missions.
