سيارة مستقلة تحت الماء (AUV) هي إنسان آلي يسافر تحت الماء دون الحاجة إلى مدخلات من المشغل. تشكّل AUVs جزءًا من مجموعة أكبر من الأنظمة تحت سطح البحر والمعروفة باسم المركبات تحت سطح الماء غير المأهولة ، وهو تصنيف يشمل المركبات غير المستخدمة التي تعمل عن بُعد والتي تعمل تحت الماء (ROVs) – والتي يتم التحكم فيها وتشغيلها من السطح بواسطة مشغّل / طيار عبر سرّ أو باستخدام جهاز تحكم عن بعد. في التطبيقات العسكرية غالبا ما يشار إلى AUV باسم المركبات البحرية غير المستخدمة (UUV). الطائرات الشراعية تحت الماء هي فئة فرعية من AUVs.

التاريخ
تم تطوير أول برنامج AUV في مختبر الفيزياء التطبيقية في جامعة واشنطن في أوائل عام 1957 بواسطة ستان ميرفي وبوب فرانسوا وما بعده تيري إوارت. تم استخدام “سيارة البحث لأغراض خاصة تحت الماء” ، أو SPURV ، لدراسة الانتشار ، والارسال الصوتي ، واستيقاظ الغواصة.

تم تطوير اختبارات AUVs في وقت مبكر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في 1970s. أحد هذه المعروضات معروض في معرض Hart Nautical في MIT. في الوقت نفسه ، تم تطوير AUVs أيضا في الاتحاد السوفياتي (على الرغم من أن هذا لم يكن معروفا بشكل شائع حتى وقت لاحق).

تطبيقات
حتى وقت قريب نسبياً ، استخدم الـ AUVs لعدد محدود من المهام التي تمليها التكنولوجيا المتوفرة. مع تطوير قدرات معالجة أكثر تقدمًا وإمدادات طاقة ذات إنتاجية عالية ، يتم الآن استخدام AUVs لمهام أكثر وأكثر بأدوار ومهام تتطور باستمرار.

تجاري
تستخدم صناعة النفط والغاز صناديق AUV لعمل خرائط تفصيلية لقاع البحر قبل البدء ببناء البنية التحتية البحرية. يمكن تركيب خطوط الأنابيب واإلنجازات في البحر الفرعي بأكثر الطرق فعالية من حيث التكلفة مع الحد األدنى من االختالالت البيئية. يسمح نظام AUV لشركات المسح بإجراء مسوحات دقيقة للمناطق حيث تكون المسوحات التقليدية لقياسات الأعماق أقل فعالية أو مكلفة للغاية. كما يمكن الآن إجراء مسوحات للأنابيب ما بعد وضع الخطوط ، والتي تشمل فحص خط الأنابيب. لقد أصبح استخدام الـ AUVs لفحص خطوط الأنابيب والتفتيش على الهياكل التي صنعها الإنسان تحت الماء أكثر شيوعًا.

ابحاث

ينشر باحث في جامعة جنوب فلوريدا Tavros02 ، وهو عبارة عن “توتير” يعمل بالطاقة الشمسية (SAUV)
يستخدم العلماء اختبار AUVs لدراسة البحيرات والمحيط وقاع المحيط. يمكن تركيب مجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار على وحدات AUV لقياس تركيز العناصر المختلفة أو المركبات ، وامتصاص الضوء أو انعكاسه ، ووجود الحياة الميكروسكوبية. وتشمل أمثلة ذلك أجهزة استشعار درجة حرارة الموصلية – درجة الحرارة (CTDs) ، ومقاييس الفلورو ، وأجهزة استشعار الأس الهيدروجيني. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تهيئة سيارات AUV كسيارات سحب لتقديم حزم مستشعر مخصصة لمواقع محددة.

هواية
يبني العديد من الآليين المتجانسين (AUVs) كهواية. توجد العديد من المسابقات التي تسمح لهذه الـ AUVs محلية الصنع بالتنافس ضد بعضها البعض أثناء تحقيق الأهداف. مثل إخوانهم التجاريين ، يمكن تزويد هذه الـ AUVs بالكاميرات ، الأضواء ، أو السونار. وكنتيجة لمحدودية الموارد وقلة الخبرة ، نادراً ما تتنافس برامج الهواة المتطوعين مع النماذج التجارية على العمق التشغيلي أو المتانة أو التطور. وأخيرًا ، عادة ما لا تكون هذه المركبات المتراكمة من الهواة متجهة للمحيطات ، ويتم تشغيلها في أغلب الأحيان في حمامات السباحة أو أسِرَّة البحيرات. يمكن بناء وحدة AUV بسيطة من وحدة التحكم الدقيقة ، مبيت الضغط PVC ، مشغل أوتوماتيكي لقفل الباب ، المحاقن ، وتتابع DPDT. يقوم بعض المشاركين في المسابقات بإنشاء تصميمات مفتوحة المصدر.

الاتجار غير المشروع بالمخدرات
أما الغواصات التي تتنقل بشكل مستقل إلى جهة ما عن طريق الملاحة باستخدام نظام تحديد المواقع ، فقد تم صنعها من قبل مهربي المخدرات غير الشرعيين.

تحقيقات تحطم الطائرة
استخدمت المركبات المستقلة تحت الماء ، على سبيل المثال AUV ABYSS ، للعثور على حطام الطائرات المفقودة ، على سبيل المثال Air France Flight 447 ، واستخدم Bluefin-21 AUV في البحث عن رحلة الخطوط الجوية الماليزية 370.

التطبيقات العسكرية
حددت الخطة الرئيسية للمركبة البحرية غير المأهولة البحرية الأمريكية (UUV) مهام UUV التالية:

الاستخبارات والمراقبة والاستطلاع
تدابير مضادة للالغام
الحرب المضادة للغواصات
التفتيش / تحديد
علم المحيطات
عقد شبكة الاتصالات / الملاحة
توصيل الحمولة
عمليات المعلومات
إضراب وقت حرج

قسمت الخطة الرئيسية للبحرية جميع UUVs إلى أربع فئات:

فئة المركبة المحمولة: 25-100 lb displacement ؛ 10-20 ساعة من التحمل أطلقت من حرفة الماء الصغيرة يدويا (أي ، MK 18 وزارة الدفاع 1 سمك أبو سيف UUV)
فئة السيارة خفيفة الوزن: تصل إلى 500 رطل تشريد ، 20-40 ساعة من التحمل ؛ تم إطلاقه من RHIB باستخدام نظام الإطلاق / الاسترجاع أو الرافعات من السفن السطحية (على سبيل المثال ، MK 18 Mod 2 Kingfish UUV)
فئة المركبة الثقيلة: حتى 3000 رطل ، و 40-80 ساعة من التحمل ، يتم إطلاقها من الغواصات
فئة السيارة الكبيرة: ما يصل إلى 10 أطنان من الإزاحة ؛ أطلقت من السفن السطحية والغواصات

تصاميم المركبات
وقد تم تصميم مئات من صناديق AUV المختلفة على مدى السنوات الخمسين الماضية أو ما يقرب من ذلك ، ولكن هناك عدد قليل من الشركات التي تبيع السيارات بأعداد كبيرة. هناك حوالي 10 شركات تبيع سيارات AUVs في السوق الدولية ، بما في ذلك Kongsberg Maritime و Hydroid (وهي الآن شركة تابعة مملوكة بالكامل لـ Kongsberg Maritime) و Bluefin Robotics و Teledyne Gavia (المعروفة سابقاً باسم Hafmynd) و International Submarine Engineering (ISE) Ltd و Atlas Elektronik ، و OceanScan.

تتراوح المركبات من حيث الحجم من السيارات المحمولة خفيفة الوزن المحمولة إلى المركبات ذات القطر الكبير التي يزيد طولها عن 10 أمتار. تتميز المركبات الكبيرة بميزات من حيث القدرة على التحمل وقدرة الحمولة المستشعرة ؛ المركبات الأصغر تستفيد بشكل كبير من الخدمات اللوجستية الأقل (على سبيل المثال: دعم سفينة البصمة ، نظم الإطلاق والاسترداد).

استفادت بعض الشركات المصنعة من الرعاية الحكومية المحلية بما في ذلك Bluefin و Kongsberg. ينقسم السوق بشكل فعال إلى ثلاثة مجالات: علمية (بما في ذلك الجامعات ووكالات الأبحاث) ، تجارية في الخارج (النفط والغاز ، الخ) والتطبيق العسكري (تدابير مضادة للألغام ، إعداد مساحة المعركة). غالبية هذه الأدوار تستخدم تصميم مماثل وتعمل في وضع كروز (طوربيدو). يقومون بجمع البيانات أثناء اتباع الطريق المخطط مسبقاً بسرعات تتراوح بين 1 و 4 عقد.

تتضمّن منتجات AUVs المتوفرة تجارياً تصميمات مختلفة ، مثل REMUS 100 AUV الصغيرة التي طورتها مؤسسة Woods Hole Oceanographic في الولايات المتحدة والتي أنتجتها الآن شركة Hydroid، Inc (شركة تابعة مملوكة بالكامل لشركة Kongsberg Maritime). أكبر HUGIN 1000 و 3000 AUVs التي وضعتها مؤسسة أبحاث Kongsberg للبحوث البحرية والنرويجية ؛ سيارات Bluefin Robotics التي يبلغ قطرها 12 و 21 بوصة (300 و 530 ملم) و International Submarine Engineering Ltd. يتبع معظم AUVs شكل الطوربيد التقليدي حيث يعتبر هذا أفضل حل وسط بين الحجم ، الحجم القابل للاستخدام ، الكفاءة الهيدروديناميكية و سهولة التحكم. هناك بعض المركبات التي تستخدم تصميمًا معياريًا ، مما يسمح بتغيير المكونات بسهولة من قبل المشغلين.

السوق يتطور والتصاميم الآن تتبع المتطلبات التجارية بدلا من كونها تطورية بحتة. وتشمل التصاميم القادمة قطعًا متقنة الصنع قادرة على التحمل للتفتيش وتدخل الضوء (في المقام الأول لتطبيقات الطاقة البحرية) ، والتصاميم الهجينة AUV / ROV التي تنقل بين الأدوار كجزء من ملف المهمة الخاص بها. مرة أخرى ، سوف تكون السوق مدفوعة بالمتطلبات المالية والهدف من توفير المال ووقت الشحن باهظة الثمن.

اليوم ، في حين أن معظم الـ AUVs قادرة على القيام بمهام غير خاضعة للرقابة ، فإن معظم المشغلين يظلون ضمن نطاق أنظمة القياس عن بعد الصوتية من أجل الحفاظ على مراقبة استثماراتهم عن كثب. ليس هذا ممكنا دائما. فعلى سبيل المثال ، استلمت كندا في الآونة الأخيرة اثنين من متطوعي الأمم المتحدة (ISE Explorers) لمسح قاع البحر تحت جليد القطب الشمالي دعما لمطالبتهما بموجب المادة 76 من اتفاقية الأمم المتحدة لقانون البحار. كما أن المتغيرات طويلة المدى ذات الطاقة المنخفضة ، مثل الطائرات الشراعية تحت الماء ، أصبحت قادرة على العمل بدون رقابة لأسابيع أو شهور في مناطق ساحلية ومفتوحة على المحيطات ، وتقوم بشكل دوري بنقل البيانات عن طريق الأقمار الصناعية إلى الشاطئ ، قبل العودة إلى أن يتم التقاطها.

اعتبارا من عام 2008 ، يتم تطوير فئة جديدة من AUVs ، والتي تحاكي التصاميم الموجودة في الطبيعة. على الرغم من أن معظم هذه المركبات في مراحلها التجريبية ، إلا أن هذه المركبات المحاكاة البيولوجية (أو البيونية) قادرة على تحقيق درجات أعلى من الكفاءة في الدفع والقدرة على المناورة عن طريق نسخ التصاميم الناجحة في الطبيعة. اثنين من هذه المركبات هي Festo’s AquaJelly (AUV) و EvoLogics BOSS Manta راي.

أجهزة الاستشعار
تحمل أجهزة AUV أجهزة استشعار للتنقل بشكل مستقل وخريطة ميزات المحيط. وتشمل أجهزة الاستشعار النموذجية البوصلات وأجهزة استشعار العمق والسونيدات وغيرها من سونارس والمغناطيسية والثرمستورات والتحقيقات التوصيلية. يتم تجهيز بعض الـ AUVs بأجهزة استشعار بيولوجية بما في ذلك أجهزة قياس الفلورو (تعرف أيضاً بأجهزة استشعار الكلوروفيل) ، وأجهزة استشعار العكارة ، وأجهزة الاستشعار لقياس درجة الحموضة ، وكمية الأكسجين المذاب.

أظهرت مظاهرة في خليج مونتيري في ولاية كاليفورنيا في سبتمبر 2006 أن قطرها 21 بوصة (530 مم) يمكن أن تسحب صفيف هيدروليكي بطول 400 قدم (120 م) مع الحفاظ على سرعة الإبحار 6 (11 كم / ساعة).

التنقل
لا تستطيع الموجات اللاسلكية اختراق الماء إلى حد بعيد ، وبمجرد أن يغوص القمر الصناعي AUV فإنه يفقد إشارة GPS الخاصة به. لذلك ، هناك طريقة قياسية لتصفح AUV تحت الماء من خلال الحساب الميت. ومع ذلك ، يمكن تحسين الملاحة باستخدام نظام تحديد المواقع الصوتي تحت الماء. عندما تعمل في غضون شبكة من قاع البحر نشر المستجيبات الأساسية خط الأساس هذا هو المعروف باسم الملاحة LBL. عند توفر مرجعية سطحية مثل سفينة الدعم ، يتم استخدام خط الأساس القصير جداً (USBL) أو خط الأساس القصير (SBL) لحساب المكان الذي تكون فيه المركبة شبه البحرية نسبة إلى موقع (GPS) المعروف للمركبة السطحية. عن طريق نطاق السمع وقياسات تحمل. لتحسين تقدير موقعه ، وتقليل الأخطاء في الحساب الميت (الذي ينمو بمرور الوقت) ، يمكن لـ AUV أيضًا الظهور على سطح المكتب واتخاذ إصلاح GPS الخاص به. بين إصلاحات الموقف وللمناورة الدقيقة ، يقوم نظام الملاحة بالقصور الذاتي على متن الطائرة AUV بحساب حساب الموت في وضعية AUV ، والتسارع ، والسرعة. يمكن إجراء التقديرات باستخدام بيانات من وحدة القياس بالقصور الذاتي ، ويمكن تحسينها بإضافة سجل دوبلر للسرعة (DVL) ، الذي يقيس معدل السفر فوق قاع البحر / البحيرة. عادة ، يقيس جهاز استشعار الضغط الوضع الرأسي (عمق السيارة) ، على الرغم من أنه يمكن الحصول على العمق والارتفاع من قياسات DVL. يتم تصفية هذه الملاحظات لتحديد حل ملاحة نهائي.

دفع
هناك بضعة أساليب الدفع لـ AUVs. يستخدم بعضهم محركًا كهربائيًا ناعمًا أو بدون فرشاة ، وعلبة تروس ، وختم شفة ، ومروحة قد تكون محاطة بفوهة أو لا. جميع هذه الأجزاء المضمنة في البناء AUV تشارك في الدفع. تستخدم السيارات الأخرى وحدة دفع للحفاظ على نمطية. اعتمادا على الحاجة ، قد يتم تجهيز جهاز الرفع بفوهة لحماية الاصطدام من المروحة أو لتقليل تدفق الضوضاء ، أو قد يكون مجهزًا بمحرك دفع مباشر للحفاظ على الكفاءة على أعلى مستوى والضوضاء عند أدنى مستوى. يحتوي نظام الدفع المتقدم AUV على نظام مانع للتسرب من أجل ضمان ختم مناسب للروبوت حتى في حالة فشل أحد الأختام خلال المهمة.

الطائرات الشراعية تحت الماء لا تدفع نفسها مباشرة. من خلال تغيير طفوهم وتقليصهم ، يغرقون ويصعدون مرارًا وتكرارًا ؛ تحويل “أجنحة” الجنيح هذه الحركة صعودا وهبوطا لتوجيه الحركة. عادة ما يتم تغيير الطفو من خلال استخدام مضخة يمكنها نقل المياه أو إخراجها. يمكن التحكم في ملعب السيارة عن طريق تغيير مركز كتلة السيارة. بالنسبة للطائرات الشراعية من طراز Slocum ، يتم ذلك داخليًا عن طريق تحريك البطاريات ، التي يتم تثبيتها على المسمار. بسبب السرعة المنخفضة والإلكترونيات المنخفضة الطاقة ، فإن الطاقة المطلوبة لدورة حالات القطع أقل بكثير من الـ AUVs المنتظمة ، ويمكن للطائرات الشراعية أن تمتلك تمددًا لأشهر ونطاقات عبر المحيطات.

قوة
يتم تشغيل معظم أجهزة AUV المستخدمة حاليًا بواسطة بطاريات قابلة للشحن (ليثيوم أيون ، بوليمر ليثيوم ، هيدريد فلز النيكل ، إلخ) ، ويتم تنفيذها باستخدام نظام إدارة البطارية. تستخدم بعض السيارات البطاريات الأساسية التي توفر ضعف القدرة على التحمل – بتكلفة إضافية كبيرة لكل مهمة. يتم تشغيل عدد قليل من المركبات الكبيرة بواسطة خلايا نصف آلية تعمل بالألومنيوم ، ولكنها تتطلب صيانة كبيرة ، وتتطلب إعادة تعبئة مكلفة وإنتاج منتج نفايات يجب التعامل معه بأمان. يتمثل الاتجاه الناشئ في الجمع بين مختلف أنظمة البطاريات والطاقة مع المكثفات الفائقة.