Véhicule sous-marin autonome

Un véhicule sous-marin autonome (AUV) est un robot qui se déplace sous l’eau sans intervention d’un opérateur. Les AUV font partie d’un groupe plus vaste de systèmes sous-marins appelés véhicules sous-marins sans équipage. Cette classification inclut les véhicules sous-marins télécommandés non autonomes, contrôlés et alimentés depuis la surface par un opérateur / pilote via un ombilical ou à l’aide d’une télécommande. Dans les applications militaires, un AUV est plus souvent appelé véhicule sous-marin sans pilote (UUV). Les planeurs sous-marins sont une sous-classe des AUV.

L’histoire
Le premier AUV a été développé au laboratoire de physique appliquée de l’Université de Washington dès 1957 par Stan Murphy, Bob Francois et, plus tard, Terry Ewart. Le “véhicule de recherche sous-marine à usage spécial”, ou SPURV, a été utilisé pour étudier la diffusion, la transmission acoustique et les sillages sous-marins.

D’autres premiers AUV ont été développés au Massachusetts Institute of Technology dans les années 1970. L’un d’eux est exposé dans la galerie nautique Hart du MIT. Dans le même temps, les AUV ont également été développés en Union soviétique (même si cela n’était communément connu que bien plus tard).

Applications
Jusqu’à récemment, les AUV étaient utilisés pour un nombre limité de tâches dictées par la technologie disponible. Avec le développement de capacités de traitement plus avancées et de blocs d’alimentation à haut rendement, les AUV sont maintenant utilisés pour de plus en plus de tâches avec des rôles et des missions en constante évolution.

Commercial
L’industrie pétrolière et gazière utilise des AUV pour établir des cartes détaillées du fond de la mer avant qu’ils ne commencent à construire des infrastructures sous-marines; les pipelines et les sous-marins peuvent être installés de la manière la plus rentable avec un minimum de perturbations pour l’environnement. L’AUV permet aux entreprises d’enquêtes de mener des enquêtes précises dans les zones où les enquêtes bathymétriques traditionnelles seraient moins efficaces ou trop coûteuses. En outre, les enquêtes sur les canalisations postérieures à la pose sont désormais possibles, ce qui inclut l’inspection des pipelines. L’utilisation des AUV pour l’inspection de pipelines et l’inspection de structures sous-marines artificielles devient de plus en plus courante.

Recherche

Un chercheur de l’Université de Floride du Sud déploie Tavros02, un AUV “tweeting” à énergie solaire (SAUV)
Les scientifiques utilisent des AUV pour étudier les lacs, l’océan et les fonds océaniques. Une variété de capteurs peut être fixée aux AUV pour mesurer la concentration de divers éléments ou composés, l’absorption ou la réflexion de la lumière et la présence d’une durée de vie microscopique. Les exemples comprennent des capteurs de conductivité, de température et de profondeur, des fluoromètres et des capteurs de pH. De plus, les AUV peuvent être configurés comme véhicules de remorquage pour fournir des ensembles de capteurs personnalisés à des endroits spécifiques.

Loisir
De nombreux robotistes construisent des AUV comme passe-temps. Il existe plusieurs compétitions qui permettent à ces AUV artisanaux de se faire concurrence tout en réalisant des objectifs. Comme leurs frères du commerce, ces AUV peuvent être équipés de caméras, de lumières ou de sonars. Conséquence de ressources limitées et d’inexpérience, les AUV amateurs peuvent rarement rivaliser avec les modèles commerciaux en termes de profondeur opérationnelle, de durabilité ou de sophistication. Enfin, ces AUV de loisir ne sont généralement pas océaniques, car ils sont exploités la plupart du temps dans des piscines ou des lits de lacs. Un simple AUV peut être construit à partir d’un microcontrôleur, d’un boîtier en PVC, d’un actionneur automatique de verrouillage de porte, de seringues et d’un relais DPDT. Certains participants à des compétitions créent des conceptions open source.

Trafic de drogue illégal
Les sous-marins qui voyagent de manière autonome vers une destination au moyen de la navigation GPS ont été fabriqués par des trafiquants de drogue illégaux.

Enquêtes sur les accidents d’avion
Des véhicules sous-marins autonomes, par exemple AUV ABYSS, ont été utilisés pour retrouver les débris d’avions disparus, par exemple le vol 447 d’Air France, et l’AUF Bluefin-21 a été utilisé pour la recherche du vol 370 de Malaysia Airlines.

Applications militaires
Le Plan directeur des véhicules sous-marins sans pilote (UUV) de la marine américaine a défini les missions suivantes:

Renseignement, surveillance et reconnaissance
Lutte contre les mines
Guerre anti-sous-marine
Inspection / identification
Océanographie
Noeuds de réseau de communication / navigation
Livraison charge utile
Opérations d’information
Coup critique

Le plan directeur de la marine a divisé toutes les UUV en quatre classes:

Classe de véhicule portable: déplacement de 25–100 lb; 10 à 20 heures d’endurance; lancé manuellement à partir de petites embarcations (c.-à-d. Mk 18 Mod 1 Swordfish UUV)
Classe de véhicules légers: déplacement jusqu’à 500 lb, endurance de 20 à 40 heures; lancé à partir de RHIB à l’aide d’un système de lancement / récupération ou par grues de navires de surface (par exemple, Mk 18 Mod 2 Kingfish UUV)
Catégorie de véhicules lourds: déplacement jusqu’à 3000 lb, endurance de 40 à 80 heures, lancée à partir de sous-marins
Grand véhicule: jusqu’à 10 tonnes de cylindrée; lancé à partir de navires de surface et de sous-marins

Dessins de véhicules
Des centaines de véhicules AUV différents ont été conçus au cours des cinquante dernières années, mais seules quelques entreprises vendent des véhicules en nombre significatif. Environ 10 sociétés vendent des AUV sur le marché international, notamment Kongsberg Maritime, Hydroid (maintenant une filiale à 100% de Kongsberg Maritime), Bluefin Robotics, Teledyne Gavia (anciennement connue sous le nom de Hafmynd), International Submarine Engineering (ISE) Ltd., Atlas Elektronik et OceanScan.

La taille des véhicules va des AUV légers portables aux véhicules de grand diamètre de plus de 10 mètres. Les gros véhicules présentent des avantages en termes d’endurance et de capacité de charge utile du capteur; les véhicules plus petits bénéficient considérablement de la logistique réduite (par exemple: empreinte des navires de soutien; systèmes de lancement et de récupération).

Certains fabricants ont bénéficié de parrainages gouvernementaux nationaux, notamment Bluefin et Kongsberg. Le marché est effectivement divisé en trois domaines: les applications scientifiques (y compris les universités et les agences de recherche), les applications commerciales offshore (pétrole et gaz, etc.) et les applications militaires (mesures de lutte contre les mines, préparation de l’espace de bataille). La majorité de ces rôles utilisent une conception similaire et fonctionnent en mode croisière (type torpille). Ils collectent des données tout en suivant un itinéraire planifié à une vitesse comprise entre 1 et 4 nœuds.

Les AUV disponibles dans le commerce comprennent divers modèles, tels que le petit REMUS 100 AUV développé à l’origine par la Woods Hole Oceanographic Institution aux États-Unis et produit maintenant dans le commerce par Hydroid, Inc. (une filiale à part entière de Kongsberg Maritime); les plus grands VUL HUGIN 1000 et 3000 développés par le Kongsberg Maritime et le Norwegian Defence Defence Research Establishment; les véhicules Bluefin Robotics de 300 et 530 mm de diamètre et International Submarine Engineering Ltd. La plupart des AUV suivent la forme de torpille traditionnelle, considérée comme le meilleur compromis entre taille, volume utilisable, efficacité hydrodynamique et facilité de manipulation. Certains véhicules utilisent une conception modulaire, permettant aux opérateurs de changer facilement les composants.

Le marché évolue et les conceptions répondent désormais aux exigences commerciales plutôt que d’être purement développementales. Les conceptions à venir incluent des AUV à capacité stationnaire pour l’inspection et l’intervention légère (principalement pour les applications d’énergie offshore), ainsi que des conceptions hybrides AUV / ROV qui changent de rôle dans le cadre de leur profil de mission. Encore une fois, le marché sera motivé par les exigences financières et l’objectif d’économies d’argent et de temps de traitement coûteux.

Aujourd’hui, alors que la plupart des AUV sont capables de missions non supervisées, la plupart des opérateurs restent à portée des systèmes de télémétrie acoustique afin de surveiller de près leur investissement. Ce n’est pas toujours possible. Par exemple, le Canada a récemment réceptionné deux AUV (ISE Explorers) afin d’étudier les fonds marins sous la banquise arctique afin d’appuyer leur plainte au titre de l’article 76 de la Convention des Nations Unies sur le droit de la mer. De plus, les variantes longue portée ultra-basse consommation, telles que les planeurs sous-marins, sont en mesure de fonctionner sans surveillance pendant des semaines ou des mois dans les zones littorales et océaniques ouvertes, relayant périodiquement les données par satellite à la côte, avant de les récupérer.

En 2008, une nouvelle classe d’AUV est en cours de développement, qui imite les conceptions trouvées dans la nature. Bien que la plupart en soient actuellement au stade expérimental, ces véhicules biomimétiques (ou bioniques) peuvent atteindre des niveaux plus élevés d’efficacité en termes de propulsion et de manœuvrabilité en copiant des conceptions réussies dans la nature. Deux de ces véhicules sont AquaJelly (AUV) et EvoLogics BOSS Manta Ray de Festo.

Capteurs
Les AUV portent des capteurs pour naviguer de manière autonome et cartographier les caractéristiques de l’océan. Les capteurs typiques comprennent les compas, les capteurs de profondeur, les sonars à balayage latéral et autres, les magnétomètres, les thermistances et les sondes de conductivité. Certains AUV sont équipés de capteurs biologiques, notamment de fluoromètres (également appelés capteurs de chlorophylle), de capteurs de turbidité et de capteurs permettant de mesurer le pH et les quantités d’oxygène dissous.

Une démonstration à Monterey Bay en Californie en septembre 2006 a montré qu’un AUV de 21 pouces (530 mm) de diamètre pouvait remorquer un groupe d’hydrophones de 120 mètres de long tout en maintenant une vitesse de croisière de 11 nœuds (11 km / h).

La navigation
Les ondes radio ne peuvent pas pénétrer très loin dans l’eau. Ainsi, dès qu’un AUV plonge, il perd son signal GPS. Par conséquent, un moyen standard pour les AUV de naviguer sous l’eau consiste à faire preuve de jugement. La navigation peut toutefois être améliorée en utilisant un système de positionnement acoustique sous-marin. Lorsque vous travaillez dans un réseau de transpondeurs de base déployés au fond de la mer, on parle de navigation LBL. Lorsqu’une référence de surface, telle qu’un navire d’assistance, est disponible, le positionnement de base ultra-courte (USBL) ou de base-courte (SBL) est utilisé pour calculer la position du véhicule sous-marin par rapport à la position connue (GPS) de l’embarcation de surface. au moyen de mesures acoustiques de la plage et du roulement. Pour améliorer l’estimation de sa position et réduire les erreurs de calcul (qui augmentent avec le temps), l’AUV peut également faire surface et prendre ses propres mesures GPS. Entre les positions fixes et pour des manœuvres précises, un système de navigation par inertie à bord de l’AUV calcule en temps réel la position, l’accélération et la vitesse de l’AUV. Les estimations peuvent être effectuées à l’aide des données d’une unité de mesure inertielle et peuvent être améliorées en ajoutant un journal de vélocité Doppler (DVL), qui mesure le taux de déplacement sur le fond de la mer / du lac. Généralement, un capteur de pression mesure la position verticale (profondeur du véhicule), bien que la profondeur et l’altitude puissent également être obtenues à partir de mesures DVL. Ces observations sont filtrées pour déterminer une solution de navigation finale.

Propulsion
Il existe deux techniques de propulsion pour les AUV. Certaines utilisent un moteur électrique, une boîte de vitesses, un joint à lèvre et une hélice, avec ou sans brosse, entourées ou non d’une buse. Toutes ces pièces intégrées dans la construction de l’AUV sont impliquées dans la propulsion. D’autres véhicules utilisent une unité de propulsion pour maintenir la modularité. Selon les besoins, le propulseur peut être équipé d’une buse pour la protection des hélices en cas de collision ou pour réduire le bruit, ou d’un propulseur à entraînement direct pour maintenir l’efficacité au plus haut niveau et les bruits au plus bas. Les propulseurs AUV avancés disposent d’un système d’étanchéité d’arbre redondant afin de garantir une étanchéité correcte du robot, même en cas de défaillance de l’un des sceaux au cours de la mission.

Les planeurs sous-marins ne se propulsent pas directement. En changeant leur flottabilité et leur assiette, ils coulent et montent à plusieurs reprises; Les “ailes” de profil aérodynamique convertissent ce mouvement de va-et-vient en mouvement d’avance. Le changement de flottabilité se fait généralement à l’aide d’une pompe pouvant aspirer ou expulser de l’eau. Le pas du véhicule peut être contrôlé en modifiant le centre de gravité du véhicule. Pour les planeurs Slocum, cela se fait en interne en déplaçant les batteries, qui sont montées sur une vis. En raison de leur électronique à faible vitesse et faible consommation, l’énergie nécessaire pour passer d’un état de trim à l’autre est beaucoup moins importante que pour les AUV ordinaires, et les planeurs peuvent avoir une assurance de plusieurs mois et une portée transocéanique.

Puissance
La plupart des AUV actuellement utilisés sont alimentés par des batteries rechargeables (lithium ion, lithium polymère, hydrure de nickel métal, etc.) et sont mis en œuvre avec un système de gestion de la batterie. Certains véhicules utilisent des batteries primaires offrant une endurance deux fois plus grande, moyennant un coût supplémentaire substantiel par mission. Quelques-uns des plus gros véhicules sont alimentés par des piles semi-combustibles à base d’aluminium, mais elles nécessitent un entretien important, des recharges coûteuses et des déchets qui doivent être manipulés en toute sécurité. Une tendance émergente consiste à combiner différents systèmes de batterie et d’alimentation avec des supercondensateurs.