SISTEMA Y DISPOSITIVO DE LIBRE FLOTACIÓN PARA LA CARACTERIZACIÓN DIRECCIONAL DEL OLEAJE SUPERFICIAL.

La presente invención es un dispositivo de libre flotación para la caracterización direccional del oleaje que comprende una selección de los siguientes elementos: sensores capaces de medir en tres ejes ortogonales la aceleración

, la velocidad angular y el campo magnético de la Tierra, un localizador GNSS, un módulo electrónico, un módulo de telecomunicaciones, elementos de acumulación y/o captación de energía, un recipiente flotante y estanco para contener a los equipos mencionados y con una geometría optimizada para seguir la inclinación de la superficie de una masa de agua que es agitada por las olas. Además se ha previsto que la información proveniente de los sensores y del localizador GNSS sea gestionada por el módulo electrónico y enviada por el módulo de telecomunicaciones a una estación base remota. Al no estar fondeado, caracteriza la direccionalidad del oleaje superficial de forma más precisa, operativa y económicamente eficiente que los sistemas actuales.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201230916.

Solicitante: CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS (CSIC).

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: GARCÍA CRUZ,Raúl, NAVARRO ALMENDROS,Gabriel, RUIZ SEGURA,Javier Tomás, DESHETLER BRINTON,Dana Mackay.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > SEÑALIZACION > SISTEMAS DE SEÑALIZACION O DE LLAMADA; TRANSMISORES... > Sistemas de alarma en los que el emplazamiento del... > G08B25/10 (utilizando sistemas de transmisión sin hilos)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > BUQUES U OTRAS EMBARCACIONES FLOTANTES; SUS EQUIPOS > BUQUES U OTRAS EMBARCACIONES FLOTANTES; EQUIPAMIENTO... > B63B22/00 (Boyas (medios para señalar el emplazamiento de objetos sumergidos B63C 7/26; boyas salvavidas, p. ej. en forma de corona B63C 9/08))
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE DISTANCIAS, NIVELES O RUMBOS; TOPOGRAFIA;... > G01C13/00 (Geodesia especialmente adaptada a aguas abiertas, p. ej. mar, lago, río o  canal (medida del nivel de líquidos G01F))
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SISTEMA Y DISPOSITIVO DE LIBRE FLOTACIÓN PARA LA CARACTERIZACIÓN DIRECCIONAL DEL OLEAJE SUPERFICIAL.

Fragmento de la descripción:

SISTEMA Y DISPOSITIVO DE LIBRE FLOTACIÓN PARA LA CARACTERIZACIÓN DIRECCIONAL DEL

OLEAJE SUPERFICIAL

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere en primer lugar a un dispositivo de libre flotación para la caracterización direccional del oleaje que sigue la inclinación de la superficie de una masa de agua agitada por las olas y en segundo lugar se refiere a un sistema de caracterización direccional del oleaje que hace uso de al menos un dispositivo de libre flotación y una estación base desde la que un usuario lleva a cabo la gestión del citado sistema. Nótese que a lo largo del presente documento cuando se menciona que el dispositivo es de libre flotación, se refiere a que no está fondeado ni fijado o atado a ninguna estructura y que por tanto flota libremente en una masa de agua. El dispositivo descrito en la presente invención contiene una selección de los siguientes elementos: un recipiente flotante y estanco de geometría optimizada para seguir la inclinación de la superficie, un sistema de posicionamiento global (GNSS) para localizar el dispositivo y un módulo de telecomunicaciones para el envío y recepción de comunicaciones con una estación base así como sensores inerciales basados en tecnología MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) para generar un dispositivo nuevo que realiza la caracterización direccional del oleaje superficial sin estar fondeado ni fijado a ninguna otra estructura. El dispositivo funciona mediante un procedimiento de gestión y operación que permite utilizar remotamente uno o varios de ellos. En comparación con los sistemas que existen en la actualidad, esta combinación de elementos permite una medición de oleaje más precisa y de menor coste así como de más fácil operatividad en zonas muy alejadas o cercanas a la costa.

El ámbito de aplicación de la presente invención se enmarca dentro de las administraciones y entidades privadas con interés en incorporar las características direccionales del oleaje dentro de sus operaciones de análisis del clima marítimo, asimilación del oleaje en modelos operacionales del océano o la atmósfera, predicción marina y avisos de seguridad marítima. Entre ellos se encuentran las autoridades portuarias o las agencias meteorológicas, aquellas que necesitan conocer el oleaje para el diseño de estructuras costeras e incluso las involucradas en operaciones militares en las que operatividad y seguridad dependen del oleaje.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La reciente solicitud de patente de los Estados Unidos (Teng, US2011/0060525) SYSTEM FOR MONITORING, DETERMINING AND REPORTING DIRECTIONAL SPECTRA OF OCEAN SURFACE WAVES IN NEAR REAL-TIME FROM A MOORED BUOY realiza una exhaustiva revisión de los sistemas existentes para la caracterización del oleaje. Sucintamente, las patentes que existen en la actualidad miden exclusivamente la altura de la ola (Hue, U.S. Pat. No. 4, 515, 013; Luscombe, U.S. Pat. No. 4, 986, 121; Harigae, U.S. Pat. No. 6, 847, 326; Mayberr y , Japanese Patent Application 6, 014, 991) o su periodo (Yamaguchi, Japanese Patent Application 2005, 083, 998) pero no su direccionalidad. Además de estas limitaciones, estas patentes o solicitudes de patente tienen la restricción (a excepción de Harigae) de que contienen diseños basados en el anclaje al fondo del mar de la plataforma que integra el sistema de medida de oleaje. La solicitud de Teng describe un diseño para caracterizar y transmitir a tierra no sólo la altura o el periodo sino una descripción detallada del espectro direccional de las olas superficiales en el mar. Esta solicitud incluye también la incorporación de sensores inerciales tipo MEMS en la descripción del oleaje.

El principio de funcionamiento de la solicitud de patente de Teng está basado, al igual que en la presente solicitud, en un sistema cuya geometría está optimizada para seguir la inclinación de la superficie de la masa de agua conforme ésta es agitada por las olas. Sin embargo, como el propio título de la solicitud de Teng indica, el conjunto del sistema está basado en una boya anclada al fondo del mar en lugar de tener flotación libre como se describe en la presente invención. Ésta es una característica común a otros documentos de patentes más antiguos que, además de plantear la medida de la dirección de la ola con tecnologías no MEMS, siempre han concebido que el dispositivo debe funcionar anclado al fondo. Es el caso de los documentos de patentes de Yung (FR 2275777 y FR 2355294) , Erdely (FR2475747) o Brainard (US Patent 4158306) .

El concepto de que el único modelo posible de funcionamiento para las boya de oleaje es el de estar ancladas al fondo del mar persiste incluso en la bibliografía no asociada a patentes. Es el caso de fabricantes que han conseguido reducir el tamaño de los dispositivos de medida pero que identifican inequívocamente en su información comercial que las boyas están diseñadas para anclarse al fondo del mar. Así ocurre en la información comercial proporcionada por fabricantes de modelos como el Seawatch Mini-Buoy® de Oceanor©, MK® de Envirtech©, Wadibuoy® de Cnexo-Nereides©, Wavescan® de Seawatch©, la boya de Emerald Ocean Engineering© o el prototipo Norwave®. El modelo Triaxis® de la empresa Axys Technology© o el Wave-Track® de Endeco© sugieren en su información comercial que estas boyas pueden eventualmente funcionar sin estar fijadas al fondo del mar. Sin embargo, estas boyas funcionan bajo el principio de caracterizar la direccionalidad del oleaje mediante una geometría que, en lugar de seguir a la inclinación de la superficie como se propone en este invento, sigue a las partículas conforme éstas se mueven en el interior de las olas. El principio de seguir la inclinación de la superficie de la masa de agua conforme ésta es agitada por las olas (slope-following en terminología anglosajona) , sobre el que se basa esta invención, es más exacto y menos sensible a defectos de fabricación y operación que los sistemas de caracterización direccional del oleaje diseñados para seguir a las partículas conforme éstas se mueven en el interior de las olas (particle-following en terminología anglosajona) . Documentación no asociada a patentes mencionan sistemas direccionales de libre flotación pero basados en el principio seguir partículas (L. R. LeBlanc y F. H. Middleton; Pitch-Roll Buoy Wave Directional Spectra Analysis; Defense Technical Information Center; Publicado en 1982 con la colaboración de Rhode Island University of Kingston) . D. E. Marshall et al. (A Sonobuoy-Sized Expendable Air-Deployable Directional Wave Sensor; Páginas 302-315 de Ocean Wave Measurement and Analysis; publicado en 1997) , describen un prototipo con una geometría optimizada para su lanzamiento aéreo pero no optimizada para seguir alguno de los dos principios (slope-following o particle-following) resultando, como se reconoce en la propia descripción, en medidas de escasa exactitud. Además, estos diseños no están optimizados para seguir funcionando aunque el dispositivo se invierta, un inconveniente común a los dispositivos basados en el principio slope-following porque este principio demanda una geometría aplanada que siga a la superficie de la ola con una mínima penetración en la misma.

La caracterización direccional del oleaje marino mediante plataformas ancladas al fondo del mar o atadas a otras estructuras sufre de importantes hándicaps que no están presentes en un dispositivo que flota libremente. Estos hándicaps son especialmente agudos para los sistemas de medida que están basados en seguir la inclinación de la superficie. El efecto de la línea de fondeo y del viento sobre las importantes superestructuras que suelen tener las boyas fondeadas inhibe los movimientos acimutales en determinadas frecuencias de olas (D. E. Marshall, National...

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo de libre flotación para la caracterización direccional del oleaje superficial de una masa de agua, realizándose la caracterización direccional del oleaje mediante el principio de seguimiento de la inclinación de la superficie de las olas, que comprende un flotador estanco externo dentro del que se sitúa una electrónica del dispositivo, caracterizado porque el dispositivo comprende:

! al menos un magnetómetro basado en sistemas microelectromecánicos, que mide el campo magnético de la Tierra en tres ejes ortogonales entre sí;

! al menos un sensor inercial basado en sistemas microelectromecánicos seleccionado entre: un acelerómetro que mide a lo largo de tres ejes ortogonales entre sí la aceleración gravitatoria y una aceleración proporcionada por el oleaje al dispositivo, un giroscopio que mide sobre tres ejes ortogonales entre sí una velocidad angular del dispositivo, o una combinación de ambos;

! un módulo electrónico que adquiere variables medidas por los sensores y que comprende medios de cálculo de un cabeceo, un balanceo y una orientación respecto al norte del dispositivo a partir de las variables adquiridas y medios de cálculo de parámetros de caracterización direccional del oleaje a partir del cabeceo, del balanceo y de la orientación respecto al norte calculados, y que gestiona el funcionamiento del dispositivo, en particular parámetros de funcionamiento de los sensores y unos medios de almacenamiento de energía; y,

! los medios de almacenamiento de energía que alimentan a la electrónica del dispositivo.

2. Dispositivo de libre flotación para la caracterización direccional del oleaje, según la reivindicación 1,

caracterizado porque el flotador estanco tiene una geometría que al menos comprende: ! un cilindro inferior, abierto en su borde superior, para alojar los medios de almacenamiento de energía; ! un primer cuerpo tronco-cónico con el extremo de menor diámetro unido al borde superior del cilindro inferior, que comprende al menos tres concavidades en su cara externa; ! un segundo cuerpo tronco-cónico con el extremo de mayor diámetro unido al extremo de mayor diámetro del primer cuerpo tronco-cónico; ! un disco para unir el extremo de mayor diámetro de la primera forma tronco-cónica con el extremo libre de la porción cilíndrica ; y, ! un elemento cilíndrico con su extremo superior abombado y unido por su extremo inferior al extremo de menor diámetro de la segunda forma tronco-cónica; estando unidos los extremos de mayor diámetro del primer y segundo cuerpo troncocónico mediante la interposición de un cuerpo cilíndrico, siendo el extremo de mayor diámetro del segundo cuerpo tronco-cónico de mayor diámetro que el extremo de mayor diámetro del primer cuerpo tronco-cónico uniéndose ambos extremos mediante un cuerpo anular, y siendo las paredes del elemento cilíndrico al menos un 50% más largas que el diámetro mayor de la parte abombada.

3. Dispositivo de libre flotación para la caracterización direccional del oleaje superficial, según la reivindicación 2, caracterizado porque el flotador estanco acopla en su parte inferior un lastre o un ancla de agua.

4. Dispositivo de libre flotación para la caracterización direccional del oleaje superficial, según la reivindicación 1,

caracterizado porque el flotador estanco tiene una geometría que al menos comprende, -tener simetría bilateral respecto al plano de flotación; -tener simetría axial respecto a un eje central en una dirección que define su altura ; y, -tener un ratio altura/diámetro inferior a uno,

estando la electrónica del dispositivo situada en la zona central del flotador.

5. Dispositivo de libre flotación para la caracterización direccional del oleaje superficial, según una cualquiera de las reivindicaciones 2 y 3, caracterizado porque comprende una antena GNSS alojada en el elemento cilíndrico de extremo superior abombado del flotador y un localizador de posicionamiento GNSS que determina la posición del dispositivo.

6. Dispositivo de libre flotación para la caracterización direccional del oleaje superficial, según la reivindicación 4, caracterizado porque comprende un localizador de posicionamiento GNSS que determina la posición del dispositivo.

7. Dispositivo de libre flotación para la caracterización direccional del oleaje superficial, según una cualquiera de las reivindicaciones 2, 3 y 5, caracterizado porque comprende una antena de telecomunicaciones alojada en el elemento cilíndrico de extremo superior abombado del flotador y un módulo de telecomunicaciones, gestionado por el módulo electrónico, que comprende medios de comunicación bidireccionales entre el dispositivo y una estación base y medios de gestión y operación remota del dispositivo.

8. Dispositivo de libre flotación para la caracterización direccional del oleaje superficial, según una cualquiera de las reivindicaciones 4 y 6, caracterizado porque comprende un módulo de telecomunicaciones, gestionado por el módulo electrónico, que comprende medios de comunicación bidireccionales entre el dispositivo y una estación base y medios de gestión y operación remota del dispositivo.

9. Dispositivo de libre flotación para la caracterización direccional del oleaje superficial, según la reivindicación 6, caracterizado porque el localizador de posicionamiento GNSS comprende una antena seleccionada entre una antena omnidireccional enfocada hacia uno de los laterales del dispositivo y una antena enfocada hacia cada una de las caras del dispositivo simétricas respecto al plano de flotación.

10. Dispositivo de libre flotación para la caracterización direccional del oleaje superficial, según la reivindicación 8, caracterizado porque comprende una antena seleccionada entre una antena omnidireccional enfocada hacia uno de los laterales del dispositivo y una antena enfocada hacia cada una de las caras del dispositivo simétricas respecto al plano de flotación, estando la antena conectada al módulo de telecomunicaciones.

11. Dispositivo de libre flotación para la caracterización direccional del oleaje superficial, según una cualquiera de las reivindicaciones 2, 3, 5 y 7, caracterizado porque el flotador integra elementos de captación de energía solar situados en el segundo cuerpo tronco-cónico y/o en el elemento cilíndrico de extremo superior abombado, estando conectados los elementos de captación a los medios de almacenamiento de energía.

12. Dispositivo de libre flotación para la caracterización direccional del oleaje superficial, según una cualquiera de las reivindicaciones 4, 6, 8, 9 y 10, caracterizado porque el flotador integra elementos de captación de energía solar situados en las caras del dispositivo simétricas respecto al plano de flotación para captar energía solar en su posición derecha e invertida, estando conectados los elementos de captación a los medios de almacenamiento de energía.

13. Dispositivo de libre flotación para la caracterización direccional del oleaje superficial, según una cualquiera de las reivindicaciones 4, 6, 8, 9, 10 y 12, caracterizado porque el flotador estanco tiene una geometría seleccionada entre:

-cilíndrica con una altura en su parte central seleccionada entre mayor, menor e igual que en su periferia;

-elipsoide con una altura en su parte central seleccionada entre mayor, menor e igual que su periferia;

-al menos un anillo concéntrico con cualquier perfil de sección; y,

-al menos un eje con cualquier perfil de sección que se extiende radialmente desde el centro del dispositivo

14. Dispositivo de libre flotación para la caracterización direccional del oleaje superficial, según la reivindicación 5 o 6 o según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 13 cuando dependen de la reivindicación 5 o 6, caracterizado porque el módulo electrónico comprende medios de procesamiento digital de la información recogida de los sensores y en el módulo GNSS para convertirla en parámetros que caracterizan direccionalmente el oleaje en el lugar geográfico donde se encuentra el dispositivo.

15. Dispositivo de libre flotación para la caracterización direccional del oleaje superficial, según la reivindicación 14, caracterizado porque el módulo electrónico comprende medios seleccionados entre medios de encriptación y desencriptación, medios de compresión y descompresión y una combinación de ambos, de parámetros que caracterizan direccionalmente el oleaje para proteger y minimizar la información intercambiada por el módulo de telecomunicaciones a la estación base.

16. Sistema de caracterización direccional del oleaje superficial de masas de agua, que hace uso de los dispositivos de libre flotación definidos en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque comprende al menos un dispositivo de libre flotación de caracterización direccional del oleaje superficial y una estación base de gestión y operación remota.

17. Sistema de caracterización direccional del oleaje superficial de masas de agua, según la reivindicación 16, caracterizado porque la estación base de gestión y operación remota comprende:

-al menos un equipo informático con acceso a Internet y medios de comunicación inalámbricos con el al menos un dispositivo de caracterización direccional del oleaje;

-medios de almacenamiento de información;

una interfaz de usuario para al menos un operario local y

-al menos un dispositivo electrónico de envío y recepción de notificaciones de al menos un operario remoto; y,

-medios de establecimiento de jerarquías de prioridades que asignan niveles de prioridad a un conjunto de unidades de información básica intercambiadas entre el al menos un dispositivo y la estación base.