1. Introducción
Motivación, alcance y objetivos específicos de utilizar un simulador basado en DVPP como banco de ensayos para el International Moth.
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Utiliza este índice para saltar directamente a cada parte del trabajo, de forma similar a hojear capítulos en un libro digital.
2. Contexto y revisión bibliográfica
Historia de los hidroalas, mecánica básica de la navegación, reglas de clase del Moth y evolución desde los VPP clásicos a los simuladores modernos.
Ir a la sección3. Metodología y simulador
Modelado de la geometría y la física del Moth, configuración de SiM y definición del flujo de trabajo entre D3-VPP y el modelo en tiempo real.
Ir a la sección4. Comparación con D3-VPP
Validación del simulador mediante la comparación de resultados con el VPP en puntos de operación representativos a 14 nudos.
Ir a la sección5. Estudios de control de vuelo
Estudios de sensibilidad para el engranaje de la varilla, su longitud y los parámetros Kp, Ki, Kd del PID, incluyendo comparaciones entre control mecánico y electrónico.
Ir a la sección6. Conclusiones y futuro
Principales conclusiones, limitaciones de la plataforma actual y líneas de trabajo recomendadas.
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The design of high-performance sailing craft has shifted from experience-driven iteration to data-driven workflows based on 3D modelling, computational fluid dynamics (CFD) and velocity prediction programmes (VPP). Hydro-foiling introduces inherently dynamic behaviours that exceed the scope of steady VPPs, motivating dynamic-DVPPs and simulators derived from them for design and training in America’s Cup (AC) and other high-performance contexts.
This thesis implements an International Moth inside Simulator In Motion (SiM)—a DVPP-based sailing simulator—aligning geometry, mass properties and aero/hydro models, and establishing a workflow to compare predicted performance and controller behaviour across configurations. Simulations were executed in this independent environment, while D3-VPP® targets and the Exploder MD3 geometry supplied by D3 Applied Technologies, S.L. (D3) defined the reference conditions and baseline configuration. The work first benchmarks SiM against D3-VPP targets at two representative operating points (best-VMG upwind and downwind, TWS = 14 kn), then exercises two flight-control approaches: (i) a mechanical wand (sensitivities to gearing and wand length) and (ii) a heave PID (sensitivities to Kp, Ki and Kd), in flat water and a simple regular sea state.
The simulator reproduces the VPP targets within ∼ 1% (speeds and VMGs), with attitudes close to target and force balances coherent at both points, supporting its credibility for controller studies in the tested envelope. For the wand, lower-response gearing attenuates wave-induced oscillations without degrading mean ride height, and increased wand length primarily biases the mean flight level while preserving a common steady wand angle. For the PID, a moderate tuning (baseline near Kp ≈ 4, Ki ≈ 2–3, Kd ≈ 6) offers the best compromise between rise time and damping; relative to the wand the PID shortens settling and improves disturbance rejection in both flat and waves. Notably, electronic ride-height control is currently prohibited by the International Moth Class Rules, restricting such benefits to non-official contexts.
Overall, the platform meets its objectives: it (i) matches VPP targets credibly at 14 kn upwind/downwind, (ii) captures expected controller trends (gearing, wand length, PID gains), and (iii) provides a practical, repeatable bench for flight-control development. Future work should broaden the envelope (TWS/TWA and irregular seas), refine wand mechanism modelling, and test crew dynamics and manoeuvres.
1. Introducción
Probar y desarrollar nuevos componentes para barcos foiling y de altas prestaciones es caro y arriesgado. Las condiciones de viento y mar cambian constantemente, lo que dificulta comparar de forma consistente distintas configuraciones. El International Moth, uno de los dinghies foiling más exigentes, es un caso de estudio ideal para explorar cómo un simulador basado en DVPP puede apoyar el diseño y el desarrollo de sistemas de control.
En la memoria se formulan tres objetivos específicos:
- O1 – Plataforma de ensayo: construir una plataforma de ensayo estable dentro de SiM que reproduzca el rendimiento previsto por D3-VPP en puntos de operación clave utilizando tres PID (escora, TWA y asiento).
- O2 – Modelo mecánico de varilla: implementar en el simulador el sistema de control de vuelo real basado en varilla y flap, y estudiar su sensibilidad al engranaje y a la longitud de la varilla, usando como respuestas la inmersión del foil, el ángulo de la varilla y la VMG.
- O3 – Comparación: comparar el sistema controlado por PID con el sistema controlado por varilla, identificando ventajas, inconvenientes y contextos de uso de cada uno.
2. Contexto y revisión bibliográfica
El capítulo de contexto resume la evolución de los hidroalas, desde las primeras pruebas experimentales hasta las embarcaciones actuales de alta velocidad. A partir de ahí introduce la mecánica básica de la navegación a vela: triángulo de vientos, equilibrio de fuerzas en el plano horizontal y vertical, y el papel de los foils, el aparejo y el casco.
Se dedica una sección específica a las reglas de clase del Moth y al funcionamiento del sistema de control de vuelo: varilla de proa, sistema de bieletas, engranajes, ajuste de altura de vuelo y mecanismo de rudder rake. El capítulo termina analizando los VPP clásicos, sus limitaciones en regímenes foiling fuertemente dinámicos y cómo los simuladores basados en DVPP, como SiM, amplían estas herramientas al dominio del tiempo.
3. Metodología y configuración del simulador
La metodología describe cómo se traduce el International Moth al entorno digital. El trabajo parte de la geometría y las propiedades de masa (basadas en la configuración Exploder MD3) y aplica modelos de física específicos para foils, casco, aparejo, timón y superficies expuestas al viento.
Dentro de Simulator in Motion (SiM) se configuran:
- SiM_Data – estructura de carpetas, ficheros de entrada y datos.
- Yacht Manager – configuración general del modelo del Moth.
- Yacht Model – modelos de física detallados y dinámica 6-GDL.
- INPUTS/MOTH – archivos específicos para apéndices, aparejo y controladores.
Se define un flujo de trabajo que conecta los polares y objetivos de VMG de D3-VPP con las simulaciones en SiM, asegurando que ambos utilizan geometría, masas y condiciones de operación coherentes antes de iniciar los estudios de control.
4. Comparación con D3-VPP
Antes de utilizar el simulador como banco de pruebas de control de vuelo, se valida el modelo comparando los resultados con D3-VPP en dos condiciones representativas: mejor VMG de ceñida y mejor VMG de popa a TWS = 14 nudos.
Para cada punto de operación se comparan:
- Velocidad del barco y VMG.
- Actitudes de escora y cabeceo.
- Equilibrio de fuerzas y momentos.
Los resultados de SiM reproducen los objetivos de D3-VPP con un error en velocidad y VMG del orden del 1%, y muestran actitudes y distribuciones de carga coherentes. Esto aporta confianza en el simulador como entorno de estudio dentro del rango de operación analizado.
5. Estudios de control de vuelo
Una vez validado el modelo base del Moth, la atención se centra en el sistema de control de vuelo. Se analizan dos familias de controladores:
- Sistema mecánico de varilla: varilla de proa que mide la altura de vuelo y actúa sobre el flap del foil principal mediante un sistema de bieletas y palancas, con engranaje, longitud y altura de vuelo ajustables.
- Controlador PID de asiento: controlador proporcional–integral– derivativo que actúa sobre el ángulo de flap en función de la señal de heave.
5.1 Estudios de sensibilidad
Se llevan a cabo varias campañas de simulación para estudiar cómo afectan los parámetros de control al vuelo:
- Estudio de sensibilidad al engranaje: efecto de distintos engranajes de la varilla sobre la inmersión del foil, la estabilidad de la altura de vuelo y la VMG en ceñida, tanto en agua plana como con ola regular.
- Estudio de longitud de varilla: cómo la longitud de la varilla desplaza la altura de vuelo media e interacciona con el ajuste de offset.
- Estudio del PID de heave: ajuste de Kp, Ki y Kd para equilibrar tiempo de establecimiento, sobreoscilación y rechazo a perturbaciones.
- Estudio comparativo: comparación directa entre configuraciones optimizadas de varilla y un PID ajustado en agua plana y con ola regular.
Simulación – Popa
International Moth navegando en popa dentro de SiM, en el punto de mejor VMG.
Simulación – Ceñida con ola
Navegación en ceñida con ola de proa, mostrando la interacción entre mar y parámetros de control de vuelo.
Referencia real – Moth en el agua
Clip corto de un International Moth foileando en el agua, utilizado como referencia cualitativa para el comportamiento del simulador.
5.2 Principales conclusiones sobre el control
- El PID ofrece menores tiempos de establecimiento y mejor rechazo a perturbaciones, especialmente en ola, dando una altura de vuelo y trimado más estables en el rango analizado.
- El sistema de varilla es mecánicamente simple y robusto, y su comportamiento viene marcado por el engranaje (ganancia efectiva del lazo) y la longitud de la varilla (altura de vuelo media).
- El control electrónico de altura de vuelo está actualmente prohibido por las reglas de clase del International Moth, por lo que el enfoque PID es relevante sobre todo para entrenamiento, pruebas experimentales y posibles futuras evoluciones del reglamento.
6. Conclusiones y trabajo futuro
El proyecto demuestra que un simulador basado en DVPP como SiM puede alojar una plataforma de ensayo creíble para el International Moth. Dentro del rango de operación estudiado, el modelo reproduce el rendimiento de D3-VPP, recoge las tendencias esperadas de los sistemas de control y proporciona un entorno repetible para el desarrollo del control de vuelo.
Las principales limitaciones se relacionan con el rango de operación analizado (TWS, TWA y estados de mar), la simplificación de algunos modelos aerodinámicos y la ausencia de dinámica de tripulación o maniobras. El trabajo futuro debería:
- Ampliar la matriz de TWS/TWA y de estados de mar (incluyendo mar irregular).
- Refinar el modelo mecánico de la varilla (muelles, amortiguamiento, fricción, etc.).
- Desarrollar estrategias de ajuste del PID más avanzadas, con anti-windup y herramientas seguras de ajuste en el agua.
- Incorporar dinámica de tripulación, maniobras y validación sistemática con datos reales.
Con estas reservas, la plataforma SiM–Moth se justifica como herramienta de desarrollo y abre la puerta a estudios más sistemáticos sobre control de vuelo y rendimiento en dinghies foiling.
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Abrir página de gráficasReferences (original)
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