Autonomer Unterwasserfahrzeug

Ein autonomes Unterwasserfahrzeug (AUV) ist ein Roboter, der unter Wasser fährt, ohne dass eine Bedienperson Eingaben erfordert. AUVs sind Teil einer größeren Gruppe von Unterwasserfahrzeugen, die als unbemannte Unterwasserfahrzeuge bekannt sind. Diese Klassifizierung umfasst nicht autonome ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge (ROVs), die von einem Bediener / Piloten über ein Versorgungskabel oder von der Oberfläche aus gesteuert und angetrieben werden. In militärischen Anwendungen wird ein AUV häufiger als unbemanntes Unterwasserfahrzeug (UUV) bezeichnet. Unterwassersegelflugzeuge sind eine Unterklasse von AUVs.

Geschichte
Das erste AUV wurde bereits 1957 am Applied Physics Laboratory an der University of Washington von Stan Murphy, Bob Francois und später Terry Ewart entwickelt. Das “Special Purpose Underwater Research Vehicle” (SPURV) wurde zur Untersuchung der Diffusion, der Schallübertragung und des Unterseeboots verwendet.

Andere frühe AUVs wurden in den 1970er Jahren am Massachusetts Institute of Technology entwickelt. Eine davon ist in der Hart Nautical Gallery im MIT zu sehen. Gleichzeitig wurden AUVs auch in der Sowjetunion entwickelt (obwohl dies erst viel später bekannt war).

Anwendungen
Bis vor kurzem wurden AUVs für eine begrenzte Anzahl von Aufgaben verwendet, die von der verfügbaren Technologie vorgegeben wurden. Mit der Entwicklung fortschrittlicherer Verarbeitungsfunktionen und leistungsfähiger Netzteile werden AUVs für immer mehr Aufgaben eingesetzt, wobei sich Aufgaben und Aufgaben ständig weiterentwickeln.

Kommerziell
Die Öl- und Gasindustrie verwendet AUVs, um detaillierte Karten des Meeresbodens zu erstellen, bevor sie mit dem Bau von Unterwasserinfrastruktur beginnen. Pipelines und Unterseeabschlüsse können auf kosteneffizienteste Weise mit minimaler Beeinträchtigung der Umgebung installiert werden. Mit dem AUV können Umfragefirmen präzise Umfragen in Bereichen durchführen, in denen herkömmliche bathymetrische Umfragen weniger effektiv oder zu teuer wären. Jetzt sind auch Rohrverlegungen nach dem Laien möglich, einschließlich der Inspektion der Pipeline. Die Verwendung von AUVs für die Pipeline-Inspektion und Inspektion von künstlichen Unterwasserstrukturen wird immer häufiger.

Forschung

Ein Forscher der Universität von Südflorida setzt Tavros02 ein, einen solarbetriebenen AUV (Tweets) (SAUV)
Wissenschaftler verwenden AUVs, um Seen, das Meer und den Meeresboden zu untersuchen. Eine Vielzahl von Sensoren kann an AUVs angebracht werden, um die Konzentration verschiedener Elemente oder Verbindungen, die Absorption oder Reflexion von Licht und das Vorhandensein von mikroskopischer Lebensdauer zu messen. Beispiele umfassen Leitfähigkeitstemperatur-Tiefensensoren (CTDs), Fluorometer und pH-Sensoren. Darüber hinaus können AUVs als Zugfahrzeuge konfiguriert werden, um kundenspezifische Sensorpakete an bestimmten Orten zu liefern.

Hobby
Viele Robotiker konstruieren AUVs als Hobby. Es gibt mehrere Wettbewerbe, bei denen diese selbst gemachten AUVs miteinander konkurrieren können, während Ziele erreicht werden. Wie ihre kommerziellen Brüder können diese AUVs mit Kameras, Lichtern oder Sonar ausgestattet werden. Infolge begrenzter Ressourcen und Unerfahrenheit können Hobbyisten-AUVs selten mit kommerziellen Modellen in Bezug auf Betriebstiefe, Haltbarkeit oder Raffinesse konkurrieren. Schließlich sind diese Hobby-AUVs normalerweise nicht auf dem Meer unterwegs und werden meistens in Pools oder Seebetten betrieben. Ein einfaches AUV kann aus einem Mikrocontroller, einem PVC-Druckgehäuse, einem automatischen Türverriegelungsaktuator, Spritzen und einem DPDT-Relais aufgebaut werden. Einige Teilnehmer an Wettbewerben erstellen Open-Source-Designs.

Illegaler Drogenhandel
U-Boote, die mittels GPS-Navigation autonom zu einem Ziel fahren, wurden von illegalen Drogenhändlern hergestellt.

Untersuchungen zum Flugzeugabsturz
Autonome Unterwasserfahrzeuge, zum Beispiel AUV ABYSS, wurden verwendet, um Wracks von fehlenden Flugzeugen zu finden, z. B. Air France Flight 447, und der Bluefin-21 AUV wurde bei der Suche nach Malaysia Airlines Flight 370 verwendet.

Militärische Anwendungen
Der Masterplan der US Navy für unbemannte Unterwasserfahrzeuge (UUV) identifizierte die folgenden Aufgaben der UUV:

Intelligenz, Überwachung und Aufklärung
Meine Gegenmaßnahmen
U-Boot-Kriegsführung
Inspektion / Identifizierung
Ozeanographie
Knoten für Kommunikations- / Navigationsnetzwerke
Zuladung
Informationsoperationen
Zeitkritischer Schlag

Der Masterplan der Marine unterteilt alle UUVs in vier Klassen:

Klasse für tragbare Fahrzeuge: 25–100 lbs Hubraum; 10–20 Stunden Ausdauer; manuell von kleinen Wasserfahrzeugen gestartet (dh Mk 18 Mod 1 Swordfish UUV)
Leichte Fahrzeugklasse: bis 500 lb Hubraum, 20–40 Stunden Ausdauer; Start von RHIB mit einem Start / Retriever-System oder mit Kränen von Oberflächenschiffen (z. B. Mk 18 Mod 2 Kingfish UUV)
Schwere Fahrzeugklasse: bis 3000 lb Hubraum, 40–80 Stunden Ausdauer, gestartet von U-Booten
Große Fahrzeugklasse: bis zu 10 Tonnen Hubraum; gestartet von Oberflächenschiffen und U-Booten

Fahrzeugdesigns
Hunderte von verschiedenen AUVs wurden in den letzten 50 Jahren entwickelt, aber nur wenige Unternehmen verkaufen Fahrzeuge in bedeutender Anzahl. Es gibt rund 10 Unternehmen, die AUVs auf dem internationalen Markt verkaufen, darunter Kongsberg Maritime, Hydroid (jetzt eine hundertprozentige Tochtergesellschaft von Kongsberg Maritime), Bluefin Robotics, Teledyne Gavia (früher als Hafmynd bekannt), International Submarine Engineering (ISE) Ltd, Atlas Elektronik und OceanScan.

Die Größe der Fahrzeuge reicht von tragbaren leichten AUVs bis hin zu Fahrzeugen mit großem Durchmesser von über 10 Metern Länge. Große Fahrzeuge bieten Vorteile in Bezug auf Ausdauer und Sensornutzlast. Kleinere Fahrzeuge profitieren erheblich von einer geringeren Logistik (z. B. Unterstützung des Fußabdrucks von Schiffen; Start- und Bergungssysteme).

Einige Hersteller haben von staatlichen Sponsoren, darunter Bluefin und Kongsberg, profitiert. Der Markt ist effektiv in drei Bereiche unterteilt: wissenschaftliche (einschließlich Universitäten und Forschungsagenturen), kommerzielles Offshore-Geschäft (Öl und Gas usw.) und militärische Anwendung (Minengegenmaßnahmen, Vorbereitung der Schlachtfelder). Die meisten dieser Rollen verwenden ein ähnliches Design und arbeiten in einem Cruise-Modus (Torpedo-Modus). Sie sammeln Daten, während sie einer vorgeplanten Route mit Geschwindigkeiten zwischen 1 und 4 Knoten folgen.

Kommerziell erhältliche AUVs umfassen verschiedene Designs, wie beispielsweise das kleine REMUS 100-AUV, das ursprünglich von Woods Hole Oceanographic Institution in den USA entwickelt wurde und jetzt von Hydroid, Inc. (einer hundertprozentigen Tochtergesellschaft von Kongsberg Maritime) kommerziell produziert wird. die größeren HUGIN 1000 und 3000 AUVs, die von Kongsberg Maritime und Norwegian Defense Research Establishment entwickelt wurden; Die Bluefin Robotics-Fahrzeuge mit einem Durchmesser von 12 und 21 Zoll (300 und 530 mm) und die International Submarine Engineering Ltd. folgen der traditionellen Torpedo-Form, da dies als der beste Kompromiss zwischen Größe, nutzbarem Volumen, hydrodynamischer Effizienz und Leistung angesehen wird Einfach zu bedienen. Es gibt einige Fahrzeuge, die einen modularen Aufbau verwenden, so dass die Komponenten vom Bediener leicht geändert werden können.

Der Markt entwickelt sich, und die Entwürfe folgen jetzt kommerziellen Anforderungen und sind nicht rein entwicklungsorientiert. Zu den kommenden Designs gehören hoverfähige AUVs für Inspektionen und Lichtintervention (hauptsächlich für Offshore-Energieanwendungen) sowie Hybrid-AUV / ROV-Designs, die als Teil ihres Missionsprofils zwischen Rollen wechseln. Der Markt wird wiederum vom Finanzbedarf und dem Ziel der Einsparung von Geld und der teuren Schiffszeit bestimmt.

Während die meisten AUVs heute unbeaufsichtigte Missionen durchführen können, bleiben die meisten Betreiber im Bereich der akustischen Telemetriesysteme, um ihre Investition genau zu überwachen. Das ist nicht immer möglich. Kanada hat beispielsweise kürzlich zwei AUVs (ISE Explorers) zur Erkundung des Meeresbodens unterhalb des arktischen Eises zur Unterstützung ihrer Forderung gemäß Artikel 76 der Seerechtsübereinkommen der Vereinten Nationen übernommen. Langstreckenvarianten mit extrem niedrigem Stromverbrauch, beispielsweise Unterwassergleiter, werden in der Lage, Wochen oder Monate unbeaufsichtigt in Küstengebieten und auf offenem Meer zu operieren, wobei sie Daten periodisch per Satellit an Land senden, bevor sie wieder abholen können.

Ab 2008 wird eine neue Klasse von AUVs entwickelt, die Designs der Natur nachahmen. Obwohl sich die meisten derzeit im Versuchsstadium befinden, können diese biomimetischen (oder bionischen) Fahrzeuge durch das Kopieren erfolgreicher Konstruktionen in der Natur höhere Wirkungsgrade bei Antrieb und Manövrierfähigkeit erzielen. Zwei solcher Fahrzeuge sind Festo’s AquaJelly (AUV) und der EvoLogics BOSS Manta Ray.

Sensoren
AUVs tragen Sensoren, um autonom zu navigieren und Merkmale des Ozeans zu kartieren. Typische Sensoren umfassen Kompasse, Tiefensensoren, Seitenscans und andere Sonare, Magnetometer, Thermistoren und Leitfähigkeitssensoren. Einige AUVs sind mit biologischen Sensoren ausgestattet, einschließlich Fluorometern (auch bekannt als Chlorophyll-Sensoren), Trübungssensoren und Sensoren zur Messung des pH-Werts und Mengen an gelöstem Sauerstoff.

Eine Demonstration in Monterey Bay, Kalifornien, im September 2006 zeigte, dass ein AUV mit 21 Zoll (530 mm) Durchmesser eine 120 Meter lange Hydrophongruppe ziehen kann, während die Reisegeschwindigkeit von 6 Knoten (11 km / h) beibehalten wird.

Navigation
Funkwellen können nicht sehr weit ins Wasser eindringen. Sobald ein AUV taucht, verliert er sein GPS-Signal. Daher ist es eine Standardmethode für AUVs, unter Wasser zu navigieren, durch Koppeln. Die Navigation kann jedoch durch Verwendung eines akustischen Positionierungssystems unter Wasser verbessert werden. Beim Betrieb in einem Netz von auf dem Meeresboden eingesetzten Basis-Transpondern wird dies als LBL-Navigation bezeichnet. Wenn eine Oberflächenreferenz wie ein Unterstützungsschiff verfügbar ist, wird die Position der ultrakurzen Basislinie (USBL) oder der kurzen Basislinie (SBL) verwendet, um zu berechnen, wo sich das Unterwasserfahrzeug relativ zur bekannten (GPS) Position des Oberflächenfahrzeugs befindet durch akustische Entfernungs- und Lagermessungen. Um die Einschätzung seiner Position zu verbessern und Fehler bei der Koppelnavigation (die mit der Zeit wachsen) zu reduzieren, kann das AUV auch seine eigene GPS-Positionsbestimmung durchführen. Zwischen den Positionsfixierungen und für ein präzises Manövrieren berechnet ein Inertial-Navigationssystem an Bord des AUV durch Koppeln der AUV-Position, Beschleunigung und Geschwindigkeit. Schätzungen können unter Verwendung von Daten einer Inertial Measurement Unit vorgenommen und durch Hinzufügen eines Doppler Velocity Log (DVL) verbessert werden, das die Fahrgeschwindigkeit über dem See / See-Boden misst. Typischerweise misst ein Drucksensor die vertikale Position (Fahrzeugtiefe), obwohl Tiefe und Höhe auch aus DVL-Messungen erhalten werden können. Diese Beobachtungen werden gefiltert, um eine endgültige Navigationslösung zu ermitteln.

Antrieb
Es gibt einige Antriebstechniken für AUVs. Einige von ihnen verwenden einen gebürsteten oder bürstenlosen Elektromotor, ein Getriebe, eine Lippendichtung und einen Propeller, der von einer Düse umgeben sein kann oder nicht. Alle diese Teile, die in die AUV-Konstruktion eingebettet sind, sind am Antrieb beteiligt. Andere Fahrzeuge verwenden eine Schubeinheit, um die Modularität aufrechtzuerhalten. Je nach Bedarf kann das Triebwerk mit einer Düse für den Propellerkollisionsschutz oder zur Verringerung der Geräuschentwicklung ausgestattet sein, oder es kann mit einem Direktantriebs-Triebwerk ausgestattet sein, um den Wirkungsgrad auf dem höchsten Pegel und die Geräusche auf dem niedrigsten Pegel zu halten. Fortschrittliche AUV-Strahlruder verfügen über ein redundantes Wellendichtungssystem, um eine ordnungsgemäße Abdichtung des Roboters zu gewährleisten, auch wenn eine der Dichtungen während der Mission ausfällt.

Unterwassersegelflugzeuge treiben sich nicht direkt an. Indem sie ihren Auftrieb und ihre Trimmung ändern, sinken sie immer wieder und steigen auf; Flügel “Flügel” wandeln diese Auf- und Abbewegung in Vorwärtsbewegung um. Die Änderung des Auftriebs erfolgt normalerweise durch die Verwendung einer Pumpe, die Wasser aufnehmen oder ausstoßen kann. Die Neigung des Fahrzeugs kann durch Ändern des Massenschwerpunkts des Fahrzeugs gesteuert werden. Bei Slocum-Gleitern erfolgt dies intern durch Verschieben der an einer Schraube montierten Batterien. Aufgrund der niedrigen Geschwindigkeit und der geringen Leistungselektronik ist die zum Trimmen der Trimmzustände erforderliche Energie weitaus geringer als bei normalen AUVs, und Segelflugzeuge können eine Lebensdauer von Monaten und transozeanischen Reichweiten aufweisen.

Leistung
Die meisten heute verwendeten AUVs werden mit wiederaufladbaren Batterien (Lithium-Ionen, Lithium-Polymer, Nickel-Metallhydrid usw.) betrieben und sind in irgendeiner Form mit einem Batteriemanagementsystem implementiert. Einige Fahrzeuge verwenden Primärbatterien, die vielleicht die doppelte Lebensdauer bieten – zu einem erheblichen Mehraufwand pro Einsatz. Einige der größeren Fahrzeuge werden mit Semi-Fuel-Zellen auf Aluminiumbasis angetrieben. Diese erfordern jedoch eine erhebliche Wartung, erfordern teure Nachfüllungen und produzieren Abfallprodukte, die sicher gehandhabt werden müssen. Ein aufkommender Trend ist die Kombination verschiedener Batterie- und Stromversorgungssysteme mit Superkondensatoren.