Desarrollo de un sistema de control para el estabilizado de las aletas pectorales de un robot submarino bioinspirado

Abstract

Este trabajo presenta un sistema de control para las aletas pectorales de un robot submarino bioinspirado que utiliza actuadores de aleación con memoria de forma (SMA). Desarrollado en el CAR UPM-CSIC, el sistema aborda las limitaciones de maniobrabilidad causadas por la latencia térmica de los SMA y la falta de modelos dinámicos precisos. Se implementó un controlador PID mediante el método de sintonización de Ziegler-Nichols, junto con modificaciones en el circuito electrónico para permitir un control proporcional de corriente. Los resultados experimentales demostraron desplazamientos angulares de hasta 31.6 grados (superando las especificaciones de diseño), un tiempo de subida al 95% de 40 ms, una latencia de comunicación I2C de 178 µs y una fuerte correlación lineal entre el ´ángulo y la resistencia (R2 = 0.94). El sistema mantuvo la estabilidad durante la operación con múltiples actuadores e incorporó protocolos de seguridad. Aunque no se logró reducir el tiempo de aleteo, los resultados validan el uso de actuadores SMA para el control preciso en robótica submarina cuando se combinan con estrategias de control avanzado. Como trabajo futuro se propone aumentar el diámetro de los alambres SMA para obtener mayor fuerza e implementar un control directo de corriente para reducir la dependencia térmica. Este desarrollo representa un avance significativo en el campo de los robots submarinos bioinspirados, ofreciendo mejores capacidades de maniobra y control en entornos acuáticos.

This paper presents a control system for the pectoral fins of a bioinspired underwater robot using shape memory alloy (SMA) actuators. Developed at the CAR UPM-CSIC, the system addresses maneuverability limitations caused by SMA thermal latency and the lack of accurate dynamic models. A PID controller was implemented using the Ziegler-Nichols tuning method, along with modifications to the electronic circuit to enable proportional current control. Experimental results demonstrated angular displacements of up to 31.6 degrees (exceeding design specifications), a 95% rise time of 40 ms, an I2C communication latency of 178 µs, and a strong linear correlation between angle and resistance (R2 = 0.94). The system maintained stability during multi-actuator operation and incorporated safety protocols. Although flapping time reduction was not achieved, the results validate the use of SMA actuators for precise control in underwater robotics when combined with advanced control strategies. Future work includes increasing SMA wire diameter to enhance force output and implementing direct current control to reduce thermal dependency. This development represents a significant advancement in the field of bioinspired underwater robots, o!ering improved maneuverability and control in aquatic environments.