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 (kliknij aby powiększyć).