Cómo construir un AUV DIY con impresión 3D: Ai Apaec

El Ai Apaec es un vehículo submarino autónomo construido desde cero usando impresión 3D, electrónica DIY y software de código abierto. En esta página vas a encontrar la documentación consolidada de este proyecto: desde el diseño del casco y los propulsores hasta la electrónica de control, el sistema de baterías y el sellado estanco. Todo desarrollado paso a paso, con decisiones de diseño reales y lecciones aprendidas que recogimos en el camino de construir este vehículo autónomo. A continuación te muestro cómo construir un AUV DIY con impresión 3D.

¿Qué es un AUV?

Un AUV es un tipo de vehículo robótico diseñado para operar bajo el agua sin necesidad de intervención humana directa. Equipados con diversos sensores y un sistema de navegación autónoma, estos vehículos pueden realizar tareas como mapeo del fondo marino, monitoreo ambiental, inspecciones de estructuras submarinas, e incluso apoyar en tareas de búsqueda y rescate.

Motivación y objetivos del proyecto

El desarrollo de este AUV está motivado por el interés de explorar el diseño de robots capaces de operar en entornos extremos. Al desarrollar un vehículo de este tipo, se busca entender mejor los desafíos técnicos asociados con la navegación y el control en el entorno submarino, donde las condiciones como la presión, la temperatura y la comunicación limitada presentan desafíos únicos.

Adicional a ello, en el ámbito personal, además de ser un reto de ingeniería que me satisface enfrentar, desarrollar este «aparato» y mostrarte cómo construir un AUV DIY con impresión 3D tiene todos los condimentos que me gustan en un proyecto. Hace ya varios años, en el 2014, me embarque (nunca mejor dicho) en una aventura académica que abrió un nuevo mundo para mí. Me refiero a la maestría en Ingeniería Mecánica que completé en Brasil, donde tuve mi primer contacto con los vehículos submarinos.

Antes de empezar el máster había tenido alguna experiencia con las primeras versiones del Ardupilot al construir un UAV, un vehículo autónomo, pero aéreo; entonces, el reto para desarrollar un algoritmo de control automático para un ROV era completamente nuevo, totalmente incierto y desconocido para mí, sobre todo por que casi repruebo la materia de Control Automático en el Pregrado y ahí estaba yo, enfrentándome ahora a un algoritmo no lineal cuando por poco y no aprendo el único algoritmo lineal que me enseñaron (PID).

Los principales objetivos del proyecto son:

• Diseñar un AUV que sea eficiente, robusto y modular, capaz de realizar misiones de exploración a diferentes profundidades.
• Integrar sistemas de propulsión, sensores y control que permitan la navegación autónoma en entornos acuáticos.
• Probar el vehículo en condiciones controladas y ajustar su diseño en función de los resultados obtenidos.

Metodología de desarrollo

Cómo construir un AUV DIY con impresión 3D se llevará a cabo en varias iteraciones, cada una documentada en profundidad a medida que avanzo en el proyecto. A continuación, se describe de manera general cada una de las fases que seguiré dentro de cada iteración:

• Diseño conceptual o idea: Esta primera fase incluirá la creación o actualización del modelo 3D del AUV, teniendo en cuenta aspectos hidrodinámicos, de eficiencia y también resultados de pruebas previas.
• Selección de componentes: Aquí analizaré y seleccionaré los sensores, propulsores y componentes electrónicos que harán posible la operación autónoma del vehículo.
• Construcción y ensamblaje: Una vez finalizado el diseño y seleccionados los componentes, procederé a la construcción de lo planteado para la iteración en ejecución. Documentaré el proceso de ensamblaje, incluyendo el uso de tecnologías como la impresión 3D y la fabricación de partes específicas.
• Desarrollo de software/firmware: De igual forma, una vez que se tenga construido lo planteado en la iteración, pasaré a escribir o modificar el código que sea necesario para la operación del AUV.
• Pruebas y ajustes: Finalmente, realizaré pruebas para asegurar el correcto funcionamiento del vehículo. A partir de estas pruebas, realizaré ajustes y mejoras para la siguiente iteración.

Cómo construir un AUV DIY con impresión 3D

Iteración No. 1 – Propulsor submarino

En esta primera iteración abordaré todo el trabajo necesario para prototipar los propulsores del AUV. Abajo les dejo el post donde verán a detalle el diseño e impresión de las piezas, y además la adquisición de los componentes electrónicos y mecánicos para completar el armado de este componente.

Iteración No. 2 – Diseño del casco

En esta iteración abordaré todo el trabajo necesario para definir y digitalizar en 3D la forma del casco del AUV. Abajo les dejo el post donde verán el desarrollo de la forma externa del casco, utilizando unas ecuaciones matemáticas y un código en Python que nos ayudará a dibujar el perfil del casco del AUV.

Iteración No. 3 – Estructura interna

Hemos dado pasos importantes en el desarrollo de este vehículo submarino. Tenemos la geometría externa del casco y también los propulsores ya ensamblados, a la espera de su montaje final. Pero antes de dar un siguiente paso en el armado del vehículo, enfoquemos esta iteración en definir la estructura interna del AUV de forma clara.

Iteración No. 4 – Ensamblaje del cono posterior

En esta iteración enfocaremos toda nuestra atención en ensamblar la parte posterior o cono posterior del AUV. En esta parte del vehículo estarán instalados dos propulsores en dirección horizontal y dos aletas de estabilización.

Iteración No. 5 – Ensamblaje de la estructura central

La estructura central es la columna vertebral del Ai Apaec: el componente que une y da soporte a todos los módulos del vehículo. En esta iteración documentamos el proceso de ensamblaje paso a paso, desde las piezas impresas en 3D hasta el montaje final.

Iteración No. 6 – Pack de baterías con celdas 18650

Importar baterías en Latinoamérica es difícil y caro. La solución: construirla desde cero con celdas 18650. En esta iteración detallamos el diseño y fabricación del pack 6S8P que alimenta al Ai Apaec, un método replicable para cualquier proyecto de robótica móvil.

Iteración No. 7 – Electrónica de control

Raspberry Pi, Pixhawk, sensores y actuadores: en esta iteración integramos el cerebro del AUV. El cilindro de control que permite al Ai Apaec navegar, mantener profundidad y ejecutar misiones de forma autónoma.

Avances consolidados y siguientes pasos

Una parada estratégica para revisar el estado del proyecto, consolidar lo construido y definir con precisión el plan para las siguientes fases antes de entrar a la etapa de sellado y pruebas.

Iteración No. 8 – Rediseño de bandeja del módulo de control

Antes del sellado definitivo, rediseñamos la bandeja de montaje impresa en 3D para mejorar la organización y fiabilidad de la electrónica. Un paso crítico que evita problemas imposibles de corregir una vez cerrado el cilindro.

Iteración No. 9 – Sellado hermético del módulo de energía

Con el pack de baterías listo, abordamos el sellado hermético del módulo de energía: materiales, protocolo de sellado y pruebas de hermeticidad antes de la primera inmersión.

Iteración No. 10 – Aislamiento de antena GPS

Lograr que la antena GPS funcione en superficie mientras el AUV permanece estanco es uno de los retos más complejos del proyecto. Analizamos el uso de resina 3M 2131B y perfiles NACA como solución.