Equipo de autodirección

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El equipo de gobierno automático es un equipo que se utiliza en los barcos de vela para mantener un rumbo o punto de navegación elegido sin la intervención humana constante. ^[1]

Historia

La autodirección mecánica o de " veleta " comenzó como una forma de mantener el rumbo de los barcos de vela modelo. Antes de la llegada del Radio Control, las carreras de yates en miniatura (iniciadas antes de la Primera Guerra Mundial) se disputaban normalmente en estanques largos y estrechos, y el número de paradas a lo largo de las orillas se contaba como una penalización en el resultado final. Inicialmente, se ideó un sistema de contrapeso en los timones para compensar el tiempo del timón cuando el modelo de barco se inclinaba en una ráfaga. Estos sistemas toscos evolucionaron en un sistema más sofisticado llamado Braine Gear en honor a su inventor, George Braine. ^[2] El mecanismo de gobierno Braine era un sistema de cuadrante ajustado en la culata del timón impulsado por la tensión de la escota de la vela mayor y amortiguado por una banda de goma. Un sistema más sofisticado llamadoPosteriormente se ideó el engranaje de paletas , que se basaba en una pequeña paleta o perfil aerodinámico que impulsaba el timón principal a través de un sistema ajustable de engranajes mecánicos. Era muy similar a los pilotos automáticos de paleta que se veían en los yates transatlánticos como el timón de dirección automática de Blondie Hasler . Algunos marineros transatlánticos solos utilizaron una forma tosca de dispositivos de autodirección para cruzar el Océano Atlántico en las décadas de 1920 y 1930, siendo el más notable el francés Marin Marie (Paul Marin Durand Couppel de Saint Front) que cruzó el Atlántico dos veces en la década de 1930, primero en un yate de vela llamado Winnibelle II y, en segundo lugar, en una pinaza a motor llamada Arielle .

La autodirección a bordo de Winnibelle II en su travesía atlántica desde Douarnenez , Francia, a Nueva York en 1933 era algo similar a un engranaje Braine, utilizando foques gemelos (Trinquettes jumelles) con sus esquinas conectadas al timón a través de una serie de bloques y líneas. El Winnibelle II de quilla larga era perfectamente estable en el rumbo en los puntos de ceñida o en los puntos de alcance de la viga de navegación, pero el sistema de doble foque autodirigido podía hacerse cargo en los tramos anchos y en los puntos de carrera más complicados a favor del viento.

En la pequeña pinaza de motor Arielle , un barco de 13 metros propulsado por un motor diésel Baudouin de fabricación francesa de 65 CV que zarpó de Nueva York a Le Havre en 1936, la tarea de pilotar un barco a motor en las olas del Atlántico era más abrumadora. Arielle tenía dos timones; el principal debajo del casco, en la carrera de la hélice, era para la dirección manual y el timón auxiliar más pequeño estaba montado en el espejo de popa. Este timón auxiliar podría ser impulsado mecánicamente por una veleta especial montada en la parte superior del techo del coche que consta de dos superficies aerodinámicas rectangulares colocadas en ángulo sobre un eje vertical y equilibradas por un contrapeso. Era simple y funcionaba bastante bien, pero no podía gobernar el barco con brisas muy suaves o calma plana.

Mientras Marin Marie equipaba a Arielle en Nueva York, un inventor francés llamado Casel se acercó a él y le ofreció instalar un piloto automático eléctrico de su invento, sin cargo. El piloto automático de Casel utilizaba las entonces revolucionarias células fotoeléctricas y un sistema de luz y espejos reflectantes en la rosa de los vientos magnética . Su principio es algo similar a los cascos automáticos electrónicos de hoy en día, a excepción del sensor de puerta de flujo moderno para pilotos automáticos.sistema. El piloto automático Casel, que incluía una serie de luces de control indicadoras de color verde, rojo y blanco, utilizaba un motor eléctrico para actuar sobre el timón principal. Aunque su principio básico era sólido y útil en algunas secciones del pasaje, resultó ser demasiado liviano para un pequeño bote húmedo que vibraba y tenía problemas. Marin Marie, aunque agradecido en algunas ocasiones, generalmente detestaba el dispositivo temperamental, especialmente cuando descubrió que Casel había escondido inadvertidamente sus reservas de vino de Burdeos en el compartimiento del piloto automático, condenándolo involuntariamente a una travesía atlántica abstemia de unos 20 días.

Electrónico

Un timón-piloto en un barco de vela: autodirección electrónica simple.

La autodirección electrónica está controlada por componentes electrónicos que funcionan de acuerdo con uno o más sensores de entrada, invariablemente al menos una brújula magnética y, a veces, la dirección del viento o la posición GPS frente a un punto de ruta elegido. El módulo electrónico calcula el movimiento de dirección requerido y un mecanismo de accionamiento (generalmente eléctrico, aunque posiblemente hidráulico en sistemas más grandes) hace que el timón se mueva en consecuencia.

Hay varias posibilidades para la interfaz entre el mecanismo de accionamiento y el sistema de dirección convencional. En los yates, los tres sistemas más comunes son:

• Accionamiento directo, en el que se adjunta un actuador al cuadrante de dirección, en la parte superior de la culata del timón dentro de la embarcación. Este es el método de instalación menos intrusivo.
• Montaje de rueda, en el que se monta un motor cerca del volante y se puede acoplar con él cuando está en uso. Por lo general, esto implica una transmisión por correa o un anillo de engranaje dentado adjunto a la propia rueda, y es una opción común para instalaciones retroajustadas en yates con rueda.
• Los pilotos de timón suelen ser la única opción en embarcaciones más pequeñas con timón . Consisten en un ariete accionado eléctricamente que se monta entre el timón y un accesorio en el costado de la cabina. Algunos son completamente autónomos y solo necesitan una fuente de alimentación, mientras que otros tienen la unidad de control separada del actuador. Son bastante populares, ya que no requieren mantenimiento y son fáciles de instalar. ^[3]

Funcionamiento de un piloto de timón marino

Dependiendo de la sofisticación de la unidad de control (por ejemplo, caña de timón piloto, volante unido Chartplotter, ...), el mecanismo de gobierno automático electrónico se puede programar para mantener un cierto rumbo de la brújula, para mantener un cierto ángulo con el viento (de modo que los barcos de vela no necesiten cambiar el ajuste de la vela), para navegar hacia una determinada posición, o cualquier otra función que pueda definirse razonablemente. Sin embargo, la cantidad de energía requerida por los actuadores eléctricos, especialmente si están constantemente en acción debido a las condiciones climáticas y del mar, es una consideración seria. Los cruceros de larga distancia, que no tienen una fuente externa de electricidad y a menudo no hacen funcionar sus motores para propulsión, generalmente tienen presupuestos de energía relativamente estrictos y no usan la dirección eléctrica durante un período de tiempo prolongado. Dado que los sistemas de piloto automático electrónico requieren electricidad para funcionar, muchas embarcaciones también utilizan paneles solares fotovoltaicos o pequeñas turbinas eólicas.en el barco. Esto elimina la contaminación adicional y reduce los costos. ^[3]

Mecánico

Yate con dispositivo de autodirección resaltado

Una aleta de dirección automática con timón auxiliar y servo de lengüeta de compensación

El objetivo principal de un mecanismo de autodirección mecánico es mantener un velero en un rumbo determinado hacia el viento aparente y liberar al timonel del trabajo de gobierno. Un efecto secundario ventajoso es que las velas se mantienen en un ángulo óptimo hacia el viento aparente y proporcionan una fuerza de propulsión óptima. Incluso en los veleros que funcionan con motor, el mecanismo de gobierno automático se puede utilizar para mantener el barco en dirección al viento para izar o cambiar fácilmente las velas (excepción: principio de escota de timón).
Como sensores de dirección del viento se utilizan
a) una veleta montada sobre un eje que se inclina más o menos hacia el horizonte (autodirección de la veleta)
b) la presión del viento en la (s) vela (s) y por eso la fuerza en el hoja (hoja a timón autodireccional).

Los diferentes principios mecánicos de acoplar mecánicamente un cambio en la dirección del viento aparente con un actuador de cambio de rumbo (timón) se pueden agrupar a grandes rasgos:

• Sistemas Trimm-Tab (pestaña Flettner Servo ), veleta acoplada con una pequeña aleta unida al timón principal, un timón auxiliar o un timón servo pendular
• paleta a timón auxiliar (Windpilot Atlantik, Hydrovane) con una veleta acoplada directamente a un timón auxiliar
• paleta a timón (solo aplicable para embarcaciones muy pequeñas, una veleta grande está acoplada directamente al timón del barco)
• timón servo pendular (una veleta gira una pala sumergida alrededor de su eje vertical, la pala se balancea hacia un lado debido al movimiento a través del agua y hace girar el timón del barco con eso)
• péndulo servo con timón auxiliar (como arriba, pero la pala del péndulo servo actúa sobre un timón auxiliar y no sobre el timón del barco)
• escota a timón (una carga de resorte en el timón es contrarrestada por la fuerza de tracción de una vela de proa y / o la escota de la vela principal)

Pilotos automáticos actuales

Las unidades mecánicas de autodirección son fabricadas por varios fabricantes, ^[4] pero la mayoría de los sistemas producidos hoy comparten el mismo principio (timón servo pendular, ver más abajo). Además de su requerimiento de energía eléctrica, muchos cruceros de larga distancia observan que la maquinaria electrónica de autodirección es compleja y es poco probable que se pueda reparar sin repuestos en áreas remotas ^{[ cita requerida ]} . Por el contrario, el engranaje de paletas ofrece al menos la posibilidad de una reparación improvisada en el mar y, por lo general, puede ser reconstruido en tierra utilizando piezas no específicas (a veces piezas de plomería) por un soldador o maquinista local ^{[ cita requerida ]}. Para minimizar la pérdida de velocidad por el mecanismo de gobierno automático, es esencial tener las velas de la embarcación equilibradas con poca carga en el timón antes de intentar activar el gobierno automático. Con las velas recortadas correctamente, el equilibrio de fuerzas del servo remo y el timón principal o auxiliar se minimiza de esa manera, que se logran los ángulos más bajos de ataque del timón y servo remo hacia el flujo de agua. Sin embargo, por lo general se necesita algo de experimentación y juicio para determinar los ajustes adecuados para una embarcación y un mecanismo de gobierno determinados. Una fuente popular ^{[ cita requerida ]} sobre la tecnología contemporánea de veletas es The Windvane Self-Steering Handbook . ^[5] Una contribución particularmente valiosa ^{[[cita requerida ]}del libro de Morris es su cobertura de la variedad de aleaciones utilizadas en la fabricación de engranajes de paletas. Morris admite su práctica de configurar un temporizador de cocina durante media hora a la vez y dormir mientras el dispositivo de dirección de la veleta controla el timón, incluso con vientos en contra de 25 a 35 nudos. En una entrevista reciente, dijo que una vez evitó por poco ser atropellado por un enorme carguero mientras dormía en su vela por el Mar Rojo. Morris señala: "Un piloto automático no habría hecho ninguna diferencia en este caso. Si hubiera estado usando un piloto automático electrónico, ese carguero aún habría estado allí. Tomé la decisión de navegar dos tercios de mi circunnavegación con una sola mano. , y acepté los riesgos que conllevaba esa decisión. Supongo que el destino estaba de mi lado ".

Trim-Tab

En los antiguos sistemas de servos Trim-Tab, el movimiento de pivote de la cuchilla del servo alrededor de su eje vertical se realizaba mediante una pestaña de ajuste Servo pestaña , que sin embargo cuesta algo de fuerza debido al hecho de que la pestaña de ajuste se mueve en la dirección opuesta. para girar la cuchilla del servo. Lo mismo ocurre con una pestaña de compensación, que está montada a una gran distancia detrás del timón del barco, conectada a él en sus extremos superior e inferior. Esta construcción se llama "The Saye's Rigg". Otra versión de la autodirección de veleta en veleros se conoce como veleta de eje vertical y, por lo general, debido a la salida de fuerza de dirección inferior en comparación con los dispositivos Servo Pendulum, hace uso de una lengüeta de compensación.colgó del timón para controlar el rumbo del barco. La veleta gira en ángulo recto con el suelo y puede bloquearse en la lengüeta de compensación en cualquier posición deseada, ya que el barco se cae del viento, la veleta será girada por el viento y se llevará la lengüeta de compensación con ella, lo que a su vez provoca el timón. para moverse en la dirección opuesta y así corrige el rumbo. Por lo general, la autodirección como esta, con una pestaña de compensación, solo se puede usar en barcos con timones de popa (o con doble extremo en popa), ya que la pestaña de compensación debe montarse directamente en el timón y en la popa para producir el efecto deseado y, por supuesto, tiene que ser controlado incluso cuando el timón se balancea de un lado a otro. Por lo general, esto se logra mediante el uso de una barra ranurada en la que la conexión al conjunto de paleta se puede deslizar hacia adentro a medida que gira el timón.Estos sistemas de autodirección son generalmente más simples y, por lo tanto, más fáciles de establecer y ajustar el rumbo, ya que no utilizan líneas que controlan el timón, sino que lo controlan más directamente a través de enlaces sólidos.^[6] Un dispositivo relacionado se ha utilizado en algunos molinos de viento , la cola de abanico , un pequeño molino de viento montado en ángulo recto con las velas principales que convierte automáticamente la pesada gorra y las velas principales en el viento (inventado en Inglaterra en 1745). (Cuando el viento ya está directamente en las paletas principales, la cola de popa permanece esencialmente inmóvil).

Paleta a timón auxiliar

Solo unos pocos fabricantes han tenido éxito con sistemas que operan un timón auxiliar directamente desde el veleta (sistemas sin servo: Windpilot Atlantik, Hydrovane); la imagen de la veleta que se muestra utiliza este principio con la veleta de tela grande en un eje vertical (el uso de veletas con un eje casi horizontal se usa predominantemente).

Timón de péndulo servo

La forma más extendida de autodirección, el servo péndulo, se introdujo para hacer frente a la potencia necesaria para operar un timón más grande y fue un sucesor del principio de servo trim tab (introducido por Herbert "Blondie" Hasler ). En común a todos los sistemas de timón pendular (remo, pala) es el hecho de que la velocidad del barco a través del agua se utiliza para amplificar la pequeña fuerza que proviene de la veleta para poder girar el timón. La servo cuchilla se puede girar en su eje vertical y se cuelga como un péndulo. Cuando se gira alrededor de su eje vertical, el flujo de agua inicia una fuerza lateral en el área de la pala, y el movimiento de giro contundente hacia un lado se utiliza para actuar sobre un timón (el timón del barco o el timón auxiliar están integrados en el sistema). Una tabla vertical estrecha, la veleta, está montada en un portador de eje casi horizontal que a su vez gira alrededor de su eje vertical de modo que con el barco viajando en la dirección deseada, la veleta está vertical y de canto al viento. La veleta se equilibra con un pequeño peso debajo del pivote, pero si el barco gira de modo que la tabla ya no esté de canto al viento, se volcará hacia un lado cuando se revele el área de superficie adicional. Este movimiento se transmite por una serie de enlaces a una pala (o remo) en el agua, de modo que el remo gira alrededor de su eje vertical,cuando la veleta gira desde su posición neutra. A medida que gira la cuchilla descrita anteriormente, la presión del agua que pasa por ella hace que se balancee hacia los lados en el extremo de una varilla pivotada. Un área sumergida de 0,1 m² a 1 m de eslora de palanca a una velocidad del barco de 2,5 m / s (unos 5 nudos) y un ángulo de ataque de 5 ° ya genera un momento de 180 N⋅m, cuando el remo tiene un perfil NACA0012. ^[7] La fuerza de dirección del servo remo se transmite al timón principal, típicamente involucrando una disposición de dos líneas y cuatro o más rollos para guiar las cuerdas de dirección al timón o al volante.

Los dispositivos de autodirección servo pendulares modernos con transmisión optimizada y mecánica de baja fricción se utilizan cada vez más para la navegación diurna y en crucero; antiguamente se utilizaba principalmente para pasajes oceánicos de larga distancia. Las mayores capacidades de viento bajo de los dispositivos modernos optimizados permiten el gobierno a favor del viento hasta 1.3 m / s de viento aparente y 1.5 nudos de velocidad de la embarcación ^{[8] [9]} - propiedades que hacen que un dispositivo de gobierno electrónico sea casi redundante y permiten cruzar el estancamiento bajo el viento autodirección de paletas. Un número cada vez mayor de regatistas de regatas de larga distancia está utilizando la autodirección de las veletas porque las velas siempre se mantienen en un ángulo óptimo hacia el viento y, por lo tanto, la velocidad del barco se mantiene al máximo posible.

La descripción matemática de la autodirección del servo de aleta de viento horizontal cubre la relación de un error de rumbo con un ángulo de timón en estado estable para corregir el error de rumbo. La dinámica se describe mediante ecuaciones de acoplamiento de fuerza y ​​momento. ^{[10] [11]} Se utilizan principalmente tres principios de transmisión mecánica diferentes: junta de bloque deslizante Murray, engranaje cónico de 90 °, eje Z, que debido a su geometría tienen diferentes cambios de fuerza de dirección por cambio de error de rumbo. ^[12]

Péndulo servo con timón auxiliar

En los casos en los que no se puede utilizar un mecanismo de autodirección de péndulo servo puro (engranaje de timón hidráulico, se necesita una fuerza muy grande para girar el timón), se utilizan sistemas de timón auxiliares. Consisten en un timón servo pendular acoplado directamente a un timón auxiliar que forma parte del sistema de autodirección. En tal caso, el timón principal se utiliza para "compensar" el rumbo principal y el mecanismo de dirección automática gira "alrededor" de ese rumbo principal de acuerdo con los cambios del viento aparente.

Hoja a cultivador

Aparte de la autodirección mecánica generalizada a través de una veleta acoplada mecánicamente al timón o un timón servo pendular, existe un principio de autodirección mecánica llamado "escotilla a caña del timón". Rollo Gebhard cruzó el Atlántico en su Solveig de 5,6 m de largo utilizando este método. La dirección automática de la escota al timón consiste en una conexión entre el timón con resorte y una escota que utiliza la fuerza del viento en la vela para dirigir el barco.

Desarrollos

Durante bastante tiempo hubo poco desarrollo en los sistemas de autodirección que estaban disponibles comercialmente. La mayoría de los nuevos desarrollos llegaron en forma de sistemas de autoconstrucción. Walt Murray, un estadounidense que publicó sus diseños en su sitio web, desempeñó papeles cruciales. ^[13] y el holandés Jan Alkema, que desarrolló un nuevo veleta, el llamado Up Side Down (USD para abreviar, disponible comercialmente en solo dos marcas) y un nuevo tipo de sistema de péndulo servo que podría instalarse en embarcaciones con espejo de popa. timón colgado. Por este último invento, Jan Alkema recibió el premio John Hogg-Price de la AYRS (Sociedad de Investigación de Yates Amateur) en 2005. Jan Alkema publicó muchos de sus inventos en el sitio web de Walt Murray. ^[13]

Joern Heinrich añadió en 2010 un mecanismo ^{[14] que} utiliza el ángulo de balanceo del barco en situación de sotavento para un ángulo de ataque correccional del servo remo que aumenta la estabilidad del rumbo y reduce el riesgo de abrochar en mares posteriores. ^[15] Joern Heinrich también publicó un mecanismo ^[16] que usa una aleta en el agua para compensar el cambio aparente del viento durante la aceleración / desaceleración de yates multicasco con mayor potencial de velocidad como catamaranes y trimaranes en ráfagas. Heinrich aplica su propio software de simulación paramétrica VaneSim ^[17] para optimizar los dispositivos de autodirección de los veletas de acuerdo con las propiedades del barco.

En 2002, Robert Chicken patentó un sistema de hoja a timón en el Reino Unido, conocido como The Steersman. Consiste en dos plataformas oscilantes instaladas en las brazolas de la bañera a ambos lados del barco. Los cabrestantes de plumín normales se mueven de su posición normal y luego se vuelven a atornillar en la parte superior de estas plataformas. Con las velas puestas, la escota del foque de sotavento se sujeta al cabrestante de la forma habitual, y la presión del viento en el foque, transmitida a través de la escota del foque, hace oscilar la plataforma hacia adelante. Para equilibrar este movimiento, un resorte de cordón de choque tensado entre la plataforma y un punto en la popa del barco, mantiene la plataforma en una posición central neutral. Una vez colocada, cualquier cambio leve en la fuerza o la dirección del viento hace que la plataforma se mueva hacia adelante o hacia atrás. Un simple enlace luego transmite este movimiento al timón para mantener el barco en curso.La presión en las velas puede variar enormemente dependiendo de la fuerza del viento y la dirección en la que viaja el barco en relación con el viento. Para adaptarse a esto, el resorte está dispuesto en forma de "bloque y aparejo" con un bloque doble instalado en la popa del barco y un bloque único sujeto a la plataforma. El extremo fijo y el extremo trasero también están unidos a la plataforma; el extremo fijo está recortado y el extremo posterior pasa a través de una abrazadera de jamba para un ajuste fino. Con esto en su lugar, la tensión máxima del resorte ahora se compone de cuatro tramos de cordón de choque. Para una menor presión del viento en el foque, el extremo fijo y el bloque único se pueden volver a sujetar a un punto de sujeción en la base de la plataforma. Esto proporciona una gama de resistencias de resorte de una a cuatro longitudes de cable de choque. Para presiones de viento muy ligeras,En su lugar, se utiliza un solo cable de descarga más ligero. El beneficio reclamado de este diseño sobre un sistema de aletas de viento que"Es mucho más sensible porque usa el área de foque más grande para detectar cualquier cambio en el viento" es cuestionable. Cuando el brazo está en flujo laminar, es decir, recortado de manera óptima y ofrece la máxima propulsión, la fuerza en la escota es mayor y disminuye a ambos lados de la desviación del rumbo de este óptimo. Concluyendo de eso, el barco debe navegar con un trimado de vela subóptimo para tener la corrección de dirección adecuada en la caña del timón. Sin embargo, su posición en el área de la cabina deja libre la popa del barco para otros fines, como pescantes de bote, escaleras de popa, etc. En 2012, la invención ganó el premio Haven Academy Award en el Reino Unido. El presidente del comité de jueces fue Sir Robin Knox-Johnston, la primera persona en completar una circunnavegación sin escalas, con una sola mano.

Embarcaciones autodirigidas famosas

Algunos veleros autodirigidos notables incluyen:

• Hijo del Ayuntamiento , balsa de chatarra autodirigidaque realizó una travesía transatlántica en 1998
• Polilla gitana IV

Ver también

• Plotter
• Vehículo de superficie no tripulado

Referencias

1. Foerthmann, Peter (2013). Autodirección a vela: pilotos automáticos y sistemas de dirección por viento . Berlín: epubli GmbH. ISBN 978-3-8442-5640-6. OCLC  860314922 .
2. Daniels, WJ; Tucker, HB (1952). "Modelo de embarcación a vela" . Vintage Model Yacht Group (3 ed.). Chapman y Hall. pag. 239.
3. H.C. Herreshoff (2006). El manual del marinero . ISBN 0-07-148092-7.
4. Heinrich, Joern. "WindGear" . Archivado desde el original el 1 de abril de 2018.
5. Bill Morris (2004). El manual de autodirección de Windvane . International Marine / Ragged Mountain Press. ISBN 978-0071434690.
6. Autodirección con lengüeta de ajuste Blondie Hasler
7. Fuerza de remo servo http://www.windautopilot.de/_de/1_basics/servokraft.html
8. Límite de viento bajo http://www.windautopilot.de/_de/2_innov/lowwind.html
9. Límite de viento bajo https://www.youtube.com/watch?v=kBXzafY49GA
10. Impulso de la veleta: http://www.windautopilot.de/_de/1_basics/windsensor.html
11. Momentum of the Servo remo http://www.windautopilot.de/_de/1_basics/servokraft.html
12. Transmisión: el error de rumbo produce un ángulo de timón http://www.windautopilot.de/_de/1_basics/transmission.html
13. http://windvaneselfsteering.com/?q=content/walt-murrays-website Archivado el 21 de septiembre de 2013 en Wayback Machine.
14. http://www.windgear.eu/_de/2_innov/ydg.html
15. Verificación del mecanismo YDG en el siguiente oleaje mediante mediciones https://www.youtube.com/watch?v=odUO39DB85Y
16. Regulador mecánico de velocidad de rumbo para dispositivos de autodirección de veletas en veleros multicasco> http://www.windgear.eu/docs/SpeedSensWSA.pdf
17. Software paramétrico de simulación de veletas de viento Vanesim http://www.windautopilot.de/_de/2_innov/sim.html