Bezzałogowe pojazdy podwodne – stan obecny, potencjał biznesowy, perspektywy rozwoju - ROBOTYKA - ŁÓDŹPODWODNA - UUV - AUV - ROV - POJAZDY BIONICZNE - MUV - SAUV
Przedstawicielstwo Handlowe Paweł Rutkowski   Mouser Electronics Poland   PCBWay  

Energetyka, Automatyka przemysłowa, Elektrotechnika

Dodaj firmę Ogłoszenia Poleć znajomemu Dodaj artykuł Newsletter RSS
strona główna ARTYKUŁY Automatyka Bezzałogowe pojazdy podwodne – stan obecny, potencjał biznesowy, perspektywy rozwoju
drukuj stronę
poleć znajomemu

Bezzałogowe pojazdy podwodne – stan obecny, potencjał biznesowy, perspektywy rozwoju

Obecnie użytkowanych jest na świecie kilka tysięcy bezzałogowych zdalnie sterowanych pojazdów podwodnych przeznaczonych do wykonywania szerokiego kręgu zadań w środowisku morskim oraz oceanicznym. Te aparaty już udowodniły swoją skuteczność podczas czynności ratunkowych, realizacji zadań monitoringu akwenów wodnych, oraz wspomagania prac naukowo-badawczych.

Autorzy:

dr hab. inż. Alexandr Tariov, prof. ZUT, inż. Sebastian Kruszko
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Informatyki

Bezzałogowe pojazdy podwodne to jedna z najbardziej rozwijających się dziedzin robotyki. Dynamika rozwoju tej branży jest w znacznym stopniu uzależniona od postępów technicznych oraz technologicznych. Rozważmy zatem stan obecny oraz tendencje rozwoju tej kategorii wyrobów. Nie można jednoznacznie stwierdzić, komu przypisać skonstruowanie pierwszego bezzałogowego pojazdu podwodnego, jednakże dwa kamienie milowe zasługują na wyróżnienie: torpeda klasy PUV (ang. Programmed Underwater Vehicle), pierwowzór współczesnych obiektów UUV, skonstruowana w Austrii w 1864 roku przez firmę Luppis-Whitehead Automobile oraz pojazd „Poodle” autorstwa Dmitri’a Rebikoffa, powstały w roku 1953 [1]. Rozwój tej tematyki jest w dużej mierze zasługą Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych, gdyż dzięki sukcesom zaprojektowanym m.in. na jej potrzeby pojazdom (np. udanej akcji ratunkowej załogi batyskafu zatopionego w pobliżu irlandzkich wybrzeży w 1973 roku, penetracji Titanica na głębokości ok. 4000 metrów w 1985 roku przez pojazdy Argo i Jason) dostrzeżono potencjał konstrukcji tego rodzaju i zaczęto je wykorzystywać w morskim przemyśle wydobywczym. Odwierty ropy naftowej były wykonywane na coraz większych głębokościach, w związku z czym dalszy rozwój pojazdów UUV okazał się niezbędny.

W krótkim czasie ich maksymalne zanurzenie zwiększyło się do ponad 3000 metrów, co w połączeniu ze spadkiem kosztów produkcji dodatkowo przyczyniło się do popularyzacji i uczyniło takie pojazdy dostępne dla innych placówek, np. oddziałów policji czy zespołów badawczych. Obecnie obiekty UUV posiadają szerokie spektrum zastosowań:

  • sporządzanie mapy ukształtowania dna morskiego,
  • badanie rzeźby dna w celu zaplanowania przebiegu rurociągów bądź kabli (np. światłowodowych),
  • badanie stanu technicznego rurociągów bądź kabli,
  • poszukiwanie surowców mineralnych na dnie,
  • badania ekologiczne,
  • wykonywanie lub wspomaganie nurków przy pracach poszukiwawczych,
  • wykrywanie min w płytkiej wodzie,
  • wykonanie prac obserwacyjno-inspekcyjnych w środowisku wodnym,
  • zbieranie danych od stacji dennych,
  • przekazywanie w czasie rzeczywistym danych dotyczących sytuacji podwodnej,
  • wspomaganie czynności ratowniczych,
  • nawiązywanie łączności hydroakustycznej łodzi  podwodnych z innymi podwodnymi środkami technicznymi.

Klasyfikacja

Mnogość koncepcji i implementacji obiektów UUV jest powodem braku ich ujednoliconej klasyfikacji. Pojazdy tego typu kategoryzowane są najczęściej ze względu na ich autonomiczność, którą definiuje niezależność energetyczna oraz forma komunikacji z operatorem [2, 3]. Podział ten definiuje dwie klasy: pojazdy uwięziowe, nie posiadające pokładowej jednostki zasilającej, niezależnie od tego, w jaki sposób realizowana jest komunikacja z operatorem ROV (Remote Operated Vehicle), oraz bezuwięziowe AUV (Autonomous Underwater Vehicle), pojazdy niezależne energetycznie oraz transmitujące dane bezprzewodowo, często zdolne samodzielnie wykonać powierzone im zadanie bez udziału operatora. 

W niektórych źródłach wymieniana jest jeszcze jedna klasa, tzw. S-AUV (ang. Semi-Autonomous Underwater Vehicle), pojazdy posiadające własne źródło zasilania, jednak wykorzystujące komunikację przewodową. Drugi rodzaj klasyfikacji uwzględnia formę zastosowanej nawigacji i jest on analogiczny do załogowych pojazdów podwodnych [1]. Pierwszą grupą są pojazdy z nawigacją zliczeniową, bazującą na odczytach z mierników pokładowych, np. inercyjnych. Różnicami, jakie występują w tej grupie obiektów UUV są: konfiguracja sensorów pomiarowych oraz forma filtracji uzyskanych odczytów. Drugą grupą są obiekty nawigowane batymetrycznie. Ich lokalizacja określana jest na podstawie sporządzonej uprzednio mapy dna bądź pewnych cech charakterystycznych akwenu wodnego, np. specyficznej linii brzegowej. Ostatnią klasą są pojazdy wykorzystujące hydroakustyczne systemy nawigacyjne. Działają one w oparciu o pomiar odległości od tzw. linii bazowej (ang. baseline station). Wyróżnia się tutaj trzy podgrupy:

  • systemy długiej linii bazowej LBL (Long Base Line), w których odległość mierzona jest od transponderów zakotwiczonych na dnie akwenu w obszarze działania pojazdu,
  • systemy krótkiej linii bazowej SBL (Short Base Line), w których transpondery zamontowane są pod dnem jednostki pływającej, z której odbywa się sterowanie pojazdu UUV (najczęściej po obydwu burtach oraz na dziobie i rufie),
  • systemy ultrakrótkiej linii bazowej USBL (Ultra-Short Base Line), stanowiące modyfikację systemów SBL, w których wykorzystywany jest tylko jeden transponder, a odległości i kąty od jednostki sterującej określane są w oparciu o porównanie różnicy faz między wysłanym i odebranym sygnałem.

Spotykana jest również klasyfikacja ze względu na masę pojazdu oraz rodzaj zastosowanego w nim silnika napędowego. Zupełnie odrębną grupą są obiekty UUV, których kształt lub układ napędowy wzorowany jest na żywych organizmach, tzw. pojazdy bioniczne. Na rysunku 1 na podstawie analizy źródeł [1–3] przedstawiono klasyfikację obiektów UUV.Rys. 1. Klasyfikacja bezzałogowych pojazdów podwodnych.

Rys. 1. Klasyfikacja bezzałogowych pojazdów podwodnych (kliknij aby powiększyć).

Pojazdy typu ROV

Podział pojazdów typu ROV na mini i mikro używany jest już od dawna w literaturze zagranicznej, jednak taka klasyfikacja nie ma ścisłych granic i dlatego jest niejednoznaczna. Aparaty tych klas można odnieść do wszystkich wyrobów powstałych w wyniku miniaturyzacji podwodnych pojazdów bezzałogowych, dlatego bardziej obrazowym jest m.in. podział stricte pod kątem wagi. Można zatem wyróżnić następujące klasy: mikro (poniżej 5 kg), mini (5…30 kg), lekkie (30…500 kg), średnie (500…5000 kg) i ciężkie (powyżej 5000 kg). Spotykane jest też określenie klasy małogabarytowej, zawierającej w sobie pojazdy typu mini i mikro.

Miarodajny jest także podział ze względu na zakres i specyfikę wykonywanych prac oraz właściwości oprzyrządowania technicznego: klasa obserwacyjna (np. Proteus 500 produkcji Hydroacoustics), główna, klasa pojazdów przydennych (Triton T750, producent Perry Slingsby Systems) oraz robotnicza, często dodatkowo dzielona: pojazdy do wykonywania prac lekkich (H800, H1000 firmy ECA Hytec [4]), ciężkich oraz ultraciężkich (odpowiednio Heavy-Duty oraz UltraHeavy-Duty produkowane przez Schilling Robotics). Obiekty należące do klasy małogabarytowej ze względu na swoją masę najczęściej pozbawione są jakichkolwiek manipulatorów zdolnych wykonywać prace mechaniczne, w związku z czym są one przeważnie pojazdami obserwacyjnymi służącymi do monitoringu na głębinach do 150 m.

Przykładem mogą być konstrukcje rosyjskiej firmy Indel-Partner: Gnom Baby [5] oraz Gnom Standard (Super Gnom oraz Super Gnom Pro stanowią odstępstwo od tej reguły, gdyż posiadają w wyposażeniu opcjonalnym prosty manipulator zakończony chwytakiem). Waga produkowanych przez tą firmę pojazdów waha się od 1,7…10 kg a maksymalne zanurzenie 100…300 m. Interesującą cechą wspólną konstrukcji tej firmy jest bardzo cienki kabel sterowniczo-zasilający (średnica 3,5 mm). Pojazdy klasy głównej przeznaczone są do prac poszukiwawczych, nadzorczych oraz do wykonywania lekkich prac mechanicznych.

Mogą one także posłużyć do wykonywania pomiarów w akwenach wodnych, takich jak zasolenie czy temperatura. Ich typowe charakterystyki są następujące: maksymalne zanurzenie do 3000 m (w większości projektów 1000 m), zasięg 100…150 m (rzadko do 1000 m), prędkość 1…2,5 węzłów, masa 10 – 350 kg.

Jako reprezentujące tą grupę pojazdów można wymienić konstrukcje firmy DOER Marine (Explorer X2, Spectre ROV), Seabotix [6] (LBV 150-4, SARbot, vLBV 950) czy też Outland Technology (Outland 1000). Pojazdy klasy robotniczej mają wagę od 30 do 6000 kg; cechuje je relatywnie skomplikowane przymocowanie osprzętu [7]. Służą one do wykonywania ciężkich prac mechanicznych, podobnie jak większość obiektów należących do klasy przydennej, z tym, że pozbawione są podwozia. Maksymalne zanurzenie obydwu tych grup pojazdów waha się od 500…5000 m. Zestawienie wymienionych pojazdów ilustruje tabela 1. Niewątpliwą zaletą klasy ROV jest możliwość bardzo długiej nieprzerwanej pracy, gdyż pojemność baterii nie jest ograniczona przez objętość pojazdu [8]. Ma on również dzięki temu możliwość wykonywania skomplikowanych i ciężkich prac mechanicznych w wodzie i na dnie [3, 9]. Ponadto pojazdy klasy ROV są relatywnie tanie w produkcji i eksploatacji, co spowodowane jest znacznie mniejszą złożonością konstrukcyjną. Nie ma również ryzyka zaginięcia takiego obiektu lub jest ono znikome. Mimo zalet, takie aparaty posiadają też mankamenty, głównym z nich jest kompletna zależność aparatu od zasilającego okrętu lub brzegowego osprzętu nadwodnego. Zasięg takiego pojazdu jest ograniczony przez długość kabla zasilającego, który dodatkowo wymaga układu regulacji jego naprężenia, np. w przypadku fali morskich lub sztormu. Ponadto sterowanie w ciężkich warunkach, np. podwodnych szczelin skalnych, jest znacznie utrudnione. Te mankamenty oraz osiągnięcia w dziedzinie elektroniki, energetyki i technologii informatycznej są stymulantami do rozwoju aparatów klasy AUV.

Tab. 1. Zestawienie przykładowych produktów klasy ROV:

KrajProducentPojazdRodzaj pojazduWymiary, waga, maks. zanurzenie
USA 
SeaBotixLBV 150-4 klasa główna 53 × 24.5 × 25.4 cm, 11 kg, 150 m
vLBV 950 klasa główna60 × 39 × 30 cm, 19 kg, 950 m
SARbotklasa główna54,9 × 25 × 36,8 cm, 17,4 kg, 150 m
DOER MarineE×plorer ×2klasa główna

175 × 86 × 89 cm, 295 kg, 1000 m

(opcjonalnie 1500 lub 3000 m)

Spectre ROVklasa główna152 × 89 × 84 cm, 181 kg, 600 m
Outland TechnologyOutland 1000klasa główna65 × 37 × 26 cm, 17,7 kg, 300 m
Hydroacoustics Inc.Proteus 500obserwacyjny71 × 41 × 33 cm, 20 kg, 152 m
RosjaGNOMGnom Babyobserwacyjny21 × 18.5 × 15 cm, 1,7 kg, 100 m
Gnom Standardobserwacyjny31 × 18 × 15 cm, 3 kg, 150 m
Super Gnomobserwacyjny, do prac lekkich31 × 18 × 15 cm, 4 kg, 250 m
Super Gnom Proobserwacyjny, do prac lekkich45 × 30 × 28 cm, 10 kg, 300 m
Wielka BrytaniaECA HYTECTMH800do prac lekkich95 × 68 × 55 cm, 100 kg, 800 m
H1000do prac lekkich 134 × 109 × 100 cm, 525 kg, 1000 m
Między-narodoweSchilling RoboticsHeavy-Dutydo prac ciężkich250 × 170 × 190 cm, 3500 kg, 3000 m (opcjonalnie 4000 m)
UltraHeavy-Dutydo prac ultraciężkich300 × 190 × 200 cm, 5000 kg, 4000 m
Perry Slingsby SystemsTriton T750pojazd przydenny

513.3 × 778.1 × 311.3 cm

w zależności od konfiguracji

22000 – 23000 kg, 1500 m

 

Rys. 2. Przykładowe konstrukcje ROV.

Rys. 2. Przykładowe konstrukcje ROV. (kliknij aby powiększyć)

Pojazdy typu AUV

Pierwszą próbą oficjalnej standaryzacji pojazdów AUV jest podział zaproponowany w dokumencie Departamentu Marynarki Wojennej USA „The Navy Unmanned Undersea Vehicle (UUV) Master Plan” z 2004 roku (użyty w tym dokumencie skrót UUV odnosi się de facto do pojazdów AUV, gdyż za autonomiczność przyjęto w nim całkowite wyeliminowanie konieczności sterowania pojazdem poprzez zastosowanie algorytmów sztucznej inteligencji).

Rys. 3. Poszczególne konfiguracje pojazdu Gavia (od góry Offshore Surveyor, Scientific, Defence)

Rys. 3. Poszczególne konfiguracje pojazdu Gavia (od góry Offshore Surveyor, Scientific, Defence)

Wyszczególniono w nim cztery klasy obiektów [10]: przenośne, o wadze nie przekraczającej 45 kg, lekkie (45…227 kg), ciężkie (227…1361 kg) oraz duże (1361…9072 kg).(W oryginale: man portable, waga do 100 funtów, light weight, 100…500 funtów, heavy weight, 500…3000 funtów oraz large, 3000…20000 funtów). Obecnie obowiązujący podział pod kątem wagi wynika z miniaturyzacji podzespołów elektronicznych, jaka dokonała się na przestrzeni tych lat, co w efekcie umożliwiło redukcję masy pojazdu: mikro (poniżej 20 kg), mini (20…100 kg), lekkie (100…500 kg), ciężkie (500…2000 kg) i duże (powyżej 2000 kg). Innym istotnym czynnikiem klasyfikacyjnym jest kształt kadłuba, wyróżnia się konstrukcje cylindryczne, torpedopodobne, kroplopodobne, cygaropodobne oraz płaskie. Należy podkreślić, że zasada modułowa konstrukcji nowoczesnych aparatów klasy AUV doprowadziła do zatarcia granic pomiędzy ich przeznaczeniem docelowym. Przykładowo pojazd Gavia, produkowany przez firmę Teledyne, dzięki odpowiedniej konfiguracji osprzętu pokładowego może być dostosowany zarówno do przeprowadzenia badań oceanograficznych (Gavia Scientific), wykrywania i niszczenia min morskich (Gavia Defence) jak i do aplikacji typowo komercyjnych, np. przeprowadzania inspekcji po huraganach, prac diagnostycznych przy rurociągach lub platformach wiertniczych (Gavia Offshore Surveyor). Wszystkie trzy modele ilustruje rysunek 3, na rysunku 4 pokazano modułową konstrukcję tych pojazdów.

Rys. 4. Modułowa konstrukcja pojazdów Gavia

Rys. 4. Modułowa konstrukcja pojazdów Gavia

Ciężkie prace mechaniczne pozostają domeną pojazdów typu ROV, jednak ze względu na swoją niezależność energetyczną obiekty AUV są znacznie częściej wykorzystywane do zastosowań militarnych, zwłaszcza na polu bitwy, np. do rozpoznania taktycznego czy wykrywania i niszczenia min morskich.

Rys. 5. AU V Swimmer z pojazdem RO V Phenix na pokładzieRys. 6. Solar AUV produkowany przez Falmouth Scientific
Rys. 5. AUV Swimmer z pojazdem ROV Phenix na pokładzieRys. 6. Solar AUV produkowany przez Falmouth Scientific

Chcąc połączyć zalety obydwu tych klas pojazdów firma Cybernétix Offshore Branch stworzyła swego rodzaju hybrydę [11], tj. platformę transportową klasy AUV, służącą tylko i wyłącznie do transportu pojazdów ROV i pośredniczenia w komunikacji między nimi i operatorem (rys. 5). Należy przypuszczać, że koncepcja ta będzie rozwijana również przez konkurencyjne przedsiębiorstwa. Charakterystyki pojazdów AUV są w bardzo dużym stopniu zależne od rodzaju zastosowanego układu napędowego, który wpływa zarówno na zasięg obiektu, jak i na jego maksymalne zanurzenie. Najpopularniejsze są konstrukcje wykorzystujące silnik elektryczny ze względu na prostotę budowy i łatwość montażu.Przykładem takich pojazdów są produkty firmy Kongsberg Maritime (rys. 7a, b), tj. pojazdy z rodziny HUGIN (HUGIN 1000, HUGIN 3000, HUGIN 4500) oraz REMUS (REMUS 100, REMUS 600, REMUS 1500, REMUS 6000) [12, 13].

W ostatnich czasach obserwuje się jednak duże zainteresowanie pojazdami posiadającymi długi czas nieprzerwanej pracy (od tygodnia do kilku lat), w związku z czym pojawiły się pewne modyfikacje tego rodzaju napędu zwiększające zasięg. Pierwszą z nich jest koncepcja dodatkowego zasilania pojazdu podczas jego pracy, np. odpowiednia modyfikacja kadłuba umożliwia montaż ogniw fotowoltaicznych na jego powierzchni (tzw. obiekty klasy SAUV, ang. Solar Autonomous Underwater Vehicles). W zależności od zachmurzenia i naświetlenia słonecznego możliwe jest pozyskanie z jednego metra kwadratowego paneli słonecznych od 400 do 700 watogodzin dziennie [14, 15]. Obiekty AUV zasilane w ten sposób nie mają w żaden sposób ograniczonej manewrowości i stanowią elastyczne połączenie prędkości (maksymalnie od 1 do 2 węzłów), wytrzymałości (zanurzenie do 500 m) i konfigurowalności powierzonych im zadań, np. w styczniu 2010 roku zostały one użyte do monitorowania ruchów płyt tektonicznych. Przedstawicielem tej grupy jest konstrukcja Solar AUV autorstwa Falmouth Scientific (rys. 6). Oczywistą wadą tego rozwiązania jest konieczność wynurzenia w celu doładowania akumulatora. Równie obiecującym rezultaty uzyskuje się poprzez dążenie do redukcji zużycia energii przez pojazd.

a) rodzina pojazdów HUGIN

a) rodzina pojazdów HUGIN

a) rodzina pojazdów REMUS
b) rodzina pojazdów REMUS

Rys. 7. Produkty firmy Kongsberg Maritime

Przykładem realizacji takiej koncepcji są obiekty stanowiące kolejny kamień milowy w rozwoju dryfujących boi, tzw. szybowce podwodne. Konstrukcja Spray Glider firmy Bluefin Robotics Corporation [16] jest przykładem szybowca podwodnego (rys. 8). Ich zasada działania oparta jest o drobne zmiany w wyporności pojazdu (odpowiednie napełnianie i opróżnianie zbiorników balastowych), które w połączeniu z ruchem skrzydeł umożliwiają konwersję ruchu wertykalnego w horyzontalny. Dzięki takiemu rozwiązaniu zasięg szybowców podwodnych mierzony jest w tysiącach kilometrów. Często są one wyposażone w silnik cieplny stanowiący alternatywne źródło zasilania bądź napędu, gdyż umożliwia od pozyskanie energii mechanicznej (lub elektrycznej w połączeniu z turbiną) z gradientu cieplnego akwenu wodnego. Zasięg pojazdów wykorzystujących różnicę temperatur mierzony jest w dziesiątkach tysięcy kilometrów, a ich czas nieprzerwanej pracy waha się od 3 do 5 lat. Z tego względu sprawdzają się one w celach badawczych, o czym świadczyć może fakt, iż pierwszym pojazdem typu AUV, który pokonał transoceaniczny dystans jest właśnie szybowiec podwodny.

Rys. 8. Spray Glider – szybowiec podwodny produkowany przez Bluefin Robotics Corporation

Rys. 8. Spray Glider – szybowiec podwodny produkowany przez Bluefin Robotics Corporation

Najpoważniejszą wadą obiektów tej klasy jest ograniczona manewrowość, gdyż do poprawnego działania wymagany jest piłokształtny tor ruchu. Dodatkowo są one najwolniejsze ze wszystkich pojazdów AUV – średnia prędkość nie przekracza jednego węzła, co praktycznie wyklucza je z zastosowań militarnych.

Jedną z najnowszych koncepcji towarzyszącej projektowaniu jest zastosowanie silnika spalinowego zasilanego ogniwami wodorowymi. Dotychczas zaprojektowano tylko jeden model zasilanego w ten sposób pojazdu [17] – owocem współpracy dwóch stoczni (Kobe Shipyard & Machinery Works, Nagasaki Shipyard & Machinery Works), dwóch ośrodków badawczych (Nagasaki Research & Development Center, Takasago Research & Development Center) oraz koncernu Mitsubishi jest Urashima (rysunek 9).

Rys. 9. Jedna z najbardziej nowatorskich konstrukcji w klasie AU V – zasilana ogniwami wodorowymi łódź Urashima

Rys. 9. Jedna z najbardziej nowatorskich konstrukcji w klasie AUV – zasilana ogniwami wodorowymi łódź Urashima

Zastosowano w niej obieg zamknięty, woda powstała jako produkt spalania gromadzona jest w osobnym zbiorniku pokładowym. Charakterystyki Urashimy są następujące: zasięg 300 km, średnia prędkość 3 węzły, maksymalne zanurzenie 3500 m, masa 10000 kg. Pojazdy powstałe w ramach tego projektu wykazały swoją efektywność podczas badania głębin Oceanu Arktycznego w celu ustalenia przyczyn globalnego ocieplenia. Są droższe w budowie i eksploatacji, jednak stanowią interesującą alternatywę dla konwencjonalnych rozwiązań napędzanych silnikiem elektrycznym, gdyż cechują je lepsze parametry operacyjne niż obiekty klasy SAUV przy zachowaniu pełnej manewrowości. W tabeli 2 przedstawiono dane techniczne wszystkich wymienionych pojazdów AUV. Innym nowoczesnym aspektem towarzyszącym ich projektowaniu jest naśladownictwo żywych organizmów.

Tab. 2. Zestawienie przykładowych pojazdów klasy AUV:

KrajOśrodek badawczy / ProducentPojazdRodzaj pojazduRodzaj napęduWymiary, waga, maks. zanurzenie
JaponiaMitsubishi Heavy IndustriesUrashimaprototyp naukowo-badawczyspalinowy, zasilany ogniwami wodorowymi10,7 × 1,3 × 1,5 m, 10000 kg, 3500 m
USABluefin RoboticsSpray Gliderprodukt komercyjny, obserwacyjny, naukowo-badawczyszybowiec podwodny2,13 × 0,2 × 0,2 m, 52 kg, 1500 m
FSISolar AUVprodukt komercyjny, obserwacyjny, naukowo-badawczyelektryczny, zasilany akumulatorem litowo–jonowym i ogniwami fotowoltaicznymi2,3 × 1,1 × 0,5 m, 200 kg, 500 m
NorwegiaKongsbergHUGINprodukt komercyjny, naukowo-badawczyelektryczny, zasilany akumulatorem litowo-polimerowym lub ogniwem nadtlenkowo-wodorowymHUGIN 1000: 4,5 lub 4.7 × 0,75 × 0.75 m, 650–850 kg, 1000 lub 3000 m
HUGIN 3000: 5,5 × 1 × 1 m, 1400 kg, 3000 m HUGIN 4500: 6 × 1 × 1 m, 1900 kg, 4500 m
REMUSprodukt komercyjny, naukowo-badawczyelektryczny, zasilany akumulatorem litowo-jonowymREMUS 100: 1,6 × 0,19 × 0,19 m, 37 kg, 100 m
REMUS 600: 3,2 × 0,32 × 0,32 m, 272 kg, 600 m
REMUS 6000: 3,94 × 0,67 × 0,67 m, 863 kg, 6000 m
FrancjaCybernétixSwimmerprototyp komercyjny, transporter pojazdów ROVelektryczny, zasilany akumulatorem litowo-jonowym6,1 × 2,46 × 2,45, 4785 kg, 3000 m
IslandiaTeledyneGaviaprodukt komercyjny, uniwersalny dzięki modułowej budowieelektryczny, zasilany akumulatorem litowo-jonowymmin. 1,8 (w zależności od ilości modułów) × 0,2 × 0,2 m, min. 49 kg, 500 lub 1000 m

Pojazdy bioniczne

RoboLobster
RoboLobster
RoboLobster
Rys. 10. Poszczególne generacje konstrukcji
RoboLobster

Bioniczne konstrukcje przydenne wzorowane są na stawonogach. Podwozie kroczące znacząco zwiększa zużycie energii ograniczając zasięg lub wręcz degradując pojazd do klasy ROV, jednak zapewnia dużą stabilność i manewrowość, przez co takie konstrukcje są projektowane, m.in. do zastosowań militarnych (np. projekt RoboLobster początkowo skonstruowany przez Northeastern Marine Science Center rozwijany jest przez Massa Products Corporation na potrzeby wojska, rys. 10). Projekty biomimetyczne najczęściej inspirowane są budową ryb, gdyż dzięki temu możliwe jest uzyskanie niewielkiego promienia skrętu pojazdu (zmiana kierunku na przeciwny praktycznie w miejscu) a także krótszego czasu przyspieszenia i zwalniania. Odpowiednia budowa kadłuba (modułowo-skrętna lub w formie elastycznej spirali, rys. 11) oraz właściwe umiejscowienie podzespołów pokładowych (np. elementy duże objętościowo umieszcza się w przedniej części pojazdu, tak, aby nie powodowały uszkodzenia poszycia) umożliwiają techniczną imitację ruchu.

Jest to również stymulant dla rozwoju napędu wzorowanego na budowie tkanki mięśniowej [18], wykorzystującego elastomery dielektryczne (np. polimery silikonowe lub akrylowe). Ich zasada działania przypomina kondensator, z tym, że w przypadku sztucznych mięśni dielektryk kurczy się w kierunku pola elektrycznego i rozszerza w płaszczyźnie do niego prostopadłej. Materiały elektrostrykcyjne uzyskują wartości odkształceń od 10…30% (dla porównania wartości te dla piezoceramików wynoszą 0,1…0,3%), co w połączeniu z szybkością reakcji na przyłożone pole elektryczne umożliwia budowę siłowników przeciwosobnych, np. napęd tego typu wykorzystano przy projekcie RoboLamprey wspomnianego już ośrodka Northeastern Marine Science Center (rys. 12). Napięcia niezbędne do aktywacji są stosunkowo wysokie – zwykle od 1…5 kV, co przy ustalonej mocy redukuje natężenie prądu i stanowi dodatkowy atut tego rozwiązania, gdyż umożliwia użycie przewodów o mniejszej średnicy niwelując konieczność chłodzenia.

Rys. 11. Konstrukcje kadłuba wykorzystywane w pojazdach bionicznych

Rys. 11. Konstrukcje kadłuba wykorzystywane w pojazdach bionicznych.

Rys. 11. Konstrukcje kadłuba wykorzystywane w pojazdach bionicznych

Rys. 12. RoboLamprey – pojazd napędzany elastomerami dielektrycznymi
Rys. 12. RoboLamprey – pojazd napędzany elastomerami dielektrycznymi
 

AquaJelly firmy Festo
a) AquaJelly firmy Festo

Amoebot zaprojektowany w Northeastern Marine Science Center
b) Amoebot zaprojektowany w Northeastern
Marine Science Center

Rys. 13. Konstrukcje klasy MUV.

Interesująca jest również koncepcja pojazdu przemieszczającego się dzięki odpowiednim sekwencjom zmiany kształtu, wzorowana na parzydełkowcach (pokazowy projekt AquaJelly firmy Festo – rys. 13a), czy też organizmach jednokomórkowych [19, 20], takich jak ameba (akademicka konstrukcja Amoebot z Nanyang Technological University w Singapurze – rys. 13b). Konstrukcje tego typu zalicza się do klasy MUV (ang. Metamorphic Underwater Vehicle) i stanowią one swoisty bioniczny odpowiednik szybowców podwodnych. Mimo intensywnych prac nad projektami biomimetycznymi pozostają one na chwilę obecną w fazie prototypowania i w zdecydowanej większości mają charakter naukowo-badawczy, a tym samym nie wykazują potencjału biznesowego.

Potencjał biznesowy

W odróżnieniu od pojazdów bionicznych konwencjonalne konstrukcje są produkowane i eksploatowane na całym świecie. W 2009 roku wyprodukowano 7500 pojazdów klasy ROV, w tym aż 500 projektów przydennych [2, 3]. Ze względu na wysoki koszt produkcji (1…3 mln dolarów) najmniej wytwarzanych jest jednostek klasy robotniczej o masie przekraczającej 500 kg, tj. nie więcej niż 60 rocznie, z wyłączeniem produktów militarnych.

Równie mało popularne ze względu na ograniczenia funkcjonalne są pojazdy klasy mini (3…4% wszystkich wyprodukowanych). W zależności od zastosowania i oprzyrządowania koszt ich waha się od 1…40 tys. dolarów [21]. Zdecydowana większość jednostek klasy ROV ma zastosowanie militarne (rys. 14), wynika to z możliwości wykonywania ciężkich prac mechanicznych. Najwięcej projektów realizowanych jest w USA (rys. 15). Ze względu na dynamiczny rozwój w tym samym roku powstało 185 projektów klasy AUV, przy czym liczba wyprodukowanych egzemplarzy oscylowała w granicach 650…750 sztuk. Większość projektów należała do klasy małogabarytowej o kształcie torpedopodobnym (20…25% liczby wszystkich konstrukcji, przy czym 15…20% z klasy mini). Największą popularnością cieszą się aparaty, których waga waha się między 50…70kg a koszt wynosi 50…350 tys. dolarów [7, 9]. Najliczniejszą grupą w klasie AUV są projekty o dwojakim przeznaczeniu (rys. 16), gdyż większość z nich posiada modułową konstrukcję. Podobnie, jak w przypadku projektów klasy ROV, czołowym producentem są Stany Zjednoczone (rys. 17).

Rys. 14. Przeznaczenie docelowe pojazdów klasy ROV [3]
Rys. 14. Przeznaczenie docelowe pojazdów klasy ROV [3]

Rys. 16. Przeznaczenie docelowe pojazdów klasy AUV [3]

Rys. 16. Przeznaczenie docelowe pojazdów klasy AUV [3]

Rys. 15. Światowa produkcja pojazdów klasy ROV, % [3]

Rys. 15. Światowa produkcja pojazdów klasy ROV, % [3]

Rys. 17. Światowa produkcja pojazdów klasy AUV, % [3]

Rys. 17. Światowa produkcja pojazdów klasy AUV, % [3]

Perspektywy rozwoju

Na podstawie analizy źródeł literaturowych i doświadczeń projektowych można stwierdzić, że priorytetowymi kierunkami badań związanych z projektowaniem oraz użytkowaniem bezzałogowych pojazdów podwodnych są:

  • opracowanie i doskonalenie technik przetwarzania, gromadzenia oraz przekazywania danych uzyskanych podczas obserwacji obszarów dennych i przestrzeni wodnej,
  • intelektualizacja systemów sterowania pojazdów, zapewniająca w czasie rzeczywistym niezawodne funkcjonowanie pojazdu podwodnego m.in. dzięki ciągłemu diagnozowaniu stanu jego podsystemów i natychmiastowemu reagowaniu na zmianę sytuacji,
  • doskonalenie systemu nawigacji składającego się na inercyjny podsystem nawigacyjny, dopplerowskie sensory hydroakustyczne, odbiornik systemu GPS stosowany do wyznaczania pozycji oraz prędkości pojazdu,
  • opracowanie niezawodnego małogabarytowego systemu komunikacji akustycznej,
  • uzasadniony dobór i zastosowanie miniaturowych czujników m.in. kompasów, sonarów, magnetometrów, termistorów, mierników głębokości, próbników przewodności i innych przetworników sygnałów,
  • scalenie systemów widzenia maszynowego (kamer wideo, czujników akustycznych) w celu integracji w system sterowania ruchem i zbierania danych o sytuacji podwodnej,
  • doskonalenie i miniaturyzacja systemów zasilania pojazdów na podstawie zastosowania coraz bardziej zaawansowanych technologii elementów zasilających,
  • stosowanie innowacyjnych technologii napędu, 
  • zastosowanie bionicznych zasad przetwarzania danych oraz organizacji ruchu pojazdu.

Perspektywiczny etap rozwoju robotyki podwodnej związany jest z poszerzeniem obszarów zastosowania bezzałogowych pojazdów podwodnych na podstawie adaptacyjnych inteligentnych systemów komputerowych, opracowaniem nowych algorytmów i zasad inteligentnego sterowania pojazdami w przestrzeni wodnej, pojawieniem i wdrożeniem innowacyjnych materiałów i technologii.

Podsumowanie

Stworzenie najnowszych środków technicznych monitorowania akwenów wodnych, wśród których priorytetowe znaczenie mają bezzałogowe zrobotyzowane pojazdy podwodne, jest niemożliwe bez łączenia wysiłków i współpracy specjalistów z różnych dziedzin nauki i techniki. Czynnikiem wyróżniającym nowoczesne bezzałogowe zrobotyzowane pojazdy podwodne jest ich wysoki stopień informacyjnej autonomiczności, tzn. zdolność do samodzielnego funkcjonowania w środowisku wodnym bez ingerencji człowieka. Dziedzina ta rozwinęła się na gruncie zjednoczenia i uogólnienia osiągów informatyki, elektroniki, elektrotechniki, mechaniki, matematyki, techniki transmisji danych, telemechaniki, telesterowania, hydroakustyki, biologii, materiałoznawstwa oraz technologii mikrominiaturyzacji i robotyki. Niestety, należy podkreślić, że w Polsce omawianą problematyką zajmuje się znikoma liczba ośrodków naukowo – technicznych [1, 22, 23]. Oznacza to, że wszelkie instytucje i podmioty gospodarcze wykorzystują w tej branży wyroby pochodzenia zagranicznego, zamiast wzmacniać i wzbogacać arsenał rodzimych doświadczeń badawczych. Niezbędna jest więc, zdaniem autorów, wszechstronna akceptacja tej problematyki i szerokie wsparcie krajowych projektów związanych z opracowaniem i wdrażaniem bezzałogowych pojazdów podwodnych.

Autorzy: dr hab. inż. Alexandr Tariov, prof. ZUT, inż. Sebastian Kruszko

Literatura:

[1] Straszewski, P.: Żegluga podwodna i penetracja morskich głębin – historia, zastosowanie w gospodarce, przyszłość. Praca magisterska. Akademia Morska w Gdyni, Wydział Nawigacyjny, Katedra Nawigacji, 2006, Wydruk komputerowy.

[2] Захаров, Н. В., Капустин, В. А.: Перспективные подводные робототехнические системы и сферы их применения. В: Морская Биржа, 2008, № 1, с. 66–69.

[3] Бочаров, Л.: Необитаемые Подводные Аппараты: Состояние и Общие Тендеции Развития. В: Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 2009, № 7, с. 62–69, № 8, с. 88–93.

[4] Biuletyn elektroniczny: H1000 – 1000 m inspection and light work ROV [online]. Montpellier. ECA Hytec, 2011 [dostęp: 19-09-2011]. Dostępny w Internecie: http://www.eca-robotics.com/ftp/ecatalogue/118/H1000.pdf.

[5] Rozman, B. J., Utyakov, L. L.: Micro ROV underwater observations. In: Oceans 1999 MTS/IEEE. Riding the Crest into the 21st Century, Vol. 3, pp. 1542–1543.

[6] Newsome, S. M., Rodocker, J.: Effective technology for underwater hull and infrastructure inspection. In: Oceans 2009, MTS/IEEE Biloxi – Marine Technology for Our Future: Global and Local Challenges, pp. 1–6.

[7] Бочаров, А. Ю.: Современные тенденции в развитии миниатюрных подводных аппаратов и роботов за рубежом. В: Подводные исследования и робототехника, 2006, № 2, с. 36–52.

[8] Molchan, M.: The Role of Micro-ROVs in Maritime Safety and Security. In: Molchan Marine Sciences, 2005, pp. 41–44.

[9] Бочаров, Л. Ю.: Анализ тенденций развития исследований и разработок в области создания подводных микроаппаратов. В: Микросистемная техника, 2005, № 3, с. 32–39.

[10] Fletcher, B.: UUV master plan: a vision for navy UUV development. In: OCEANS 2000 MTS/IEEE Conference and Exhibition, Vol. 1, pp. 65–71.

[11] Chardard, Y., Copros, T.: Swimmer: final sea demonstration of this innovative hybrid AUV/ROV system. In: Proceedings of the 2002 International Symposium on Underwater Technology, pp. 17–23.

[12] Hagen, P. E., Storkersen, N., Vestgard, K., Kartvedt, P.: The HUGIN 1000 autonomous underwater vehicle for military applications. In: Oceans 2003. Proceedings, Vol. 2, pp. 1141–1145.

[13] Purcell, M. et al.: New capabilities of the REMUS autonomous underwater vehicle. In: Oceans 2000 MTS/IEEE Conference and Exhibition, Vol. 1, pp. 147–151.

[14] Jalbert, J. et al.: A solar-powered autonomous underwater vehicle. In: Oceans 2003. Proceedings, Vol. 2, pp. 1132–1140. 

[15] Crimmins, D. M. et al.: Long-Endurance Test Results of the Solar-Powered AUV System. In: Oceans 2006, pp. 1–5.

[16] Sherman, J., Davis, R. E., Owens, W. B., Valdes, J.: The autonomous underwater glider „Spray”. In: IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2001, Vol. 26(4), pp. 437–446.

[17] Yamamoto, I. et al.: Fuel cell system of AUV „Urashima”. In: Oceans 2004. MTTS/IEEE Techno-Ocean 2004, Vol. 3, pp. 1732–1737.

[18] Ayers, J., Davis, J. L., Rudolph, A.: SMA Actuators Applied to Biomimetic Underwater Robots. In: Neurotechnology for Biomimetic Robots, The MIT Press, Londyn, 2002, pp. 117–136.

[19] Chen, I.-M., Li, H.-S., Cathala, A.: Design and Simulation of Amoebot – Metamorphic Underwater Vehicle. In: International Conference on Robotics & Automation, 1999, Vol. 1, pp. 90–95.

[20] Chen, I.-M., Li, H.-S., Cathala, A.: Mechatronic Design and Locomotion of Amoebot – A Metamorphic Underwater Vehicle. In: Journal of Robotic Systems, 2003, Vol. 6, pp. 307–314.

[21] Danson, E.: The Economies of Scale: Using Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) for Wide-Area Hydrographic Survey and Ocean Data Acquisition. In: FIG XXII International Congress Proceedings [CD-ROM], 2002, Washington.

[22] Graczyk, T.: Systemy Pojazdów Głębinowych. W: Postępy Nauki i Techniki, 2010, Nr 5, s. 5–14.

[23] Dura, M.: Co nowego w technice podwodnej? W: Przegląd morski, 2008, Nr 11, s. 9–19.

follow us in feedly
Średnia ocena:
 
REKLAMA

Otrzymuj wiadomości z rynku elektrotechniki i informacje o nowościach produktowych bezpośrednio na swój adres e-mail.

Zapisz się
Administratorem danych osobowych jest Media Pakiet Sp. z o.o. z siedzibą w Białymstoku, adres: 15-617 Białystok ul. Nowosielska 50, @: biuro@elektroonline.pl. W Polityce Prywatności Administrator informuje o celu, okresie i podstawach prawnych przetwarzania danych osobowych, a także o prawach jakie przysługują osobom, których przetwarzane dane osobowe dotyczą, podmiotom którym Administrator może powierzyć do przetwarzania dane osobowe, oraz o zasadach zautomatyzowanego przetwarzania danych osobowych.
Komentarze (4)
Dodaj komentarz:  
Twój pseudonim: Zaloguj
Twój komentarz:
dodaj komentarz
No avatar
Aleks Flis
Do repertuaru podwodnych pojazdow ROV klasy lekkiej trzeba dodac obecnie najbardziej zaawansowany technologicznie pojazd VALOR - kilkukrotnie przewzszajacy parametry ROVs swojej klasy. Wecej informacji dostepnych na www.seatronics-group.com Zainteresowanych zapraszam do kontaktu.
No avatar
Autorzy
Bardzo serdecznie dziękujemy za tak szybkie załatwienie sprawy.
Brak obrazka
Oczywiście! Przepraszamy za niedopatrzenie.
No avatar
Autorzy
Ten tekst został opublikowany w czasopiśmie "Elektronika - konstrukcje, technologie, zastosowania" w zeszycie 10/2011, nr ISSN 0033-2089 na stronach 148-156 i jest autorstwa dr hab. inż. Alexandra Tariova, prof. ZUT oraz inż. Sebastiana Kruszko. Jego publikacja bez zamieszczenia informacji o Autorach traktowana jest przez Autorów jako kradzież własności intelektualnej. Proszę zamieścić taką informację o Autorach na początku artykułu.
Elektronika - Konstrukcje, Technologie, Zastosowania
Elektronika - Konstrukcje, Technologie, Zastosowania
ul. Chmielna 6 m. 6, Warszawa
tel.  (+48 22) 827 38 79
$nbsp;
REKLAMA
Nasze serwisy:
elektrykapradnietyka.com
przegladelektryczny.pl
automatykairobotyka.pl
budowainfo.pl