Um veículo subaquático autônomo (AUV) é um robô que viaja debaixo d’água sem precisar de informações de um operador. Os AUVs fazem parte de um grupo maior de sistemas submarinos conhecidos como veículos submarinos não tripulados, uma classificação que inclui veículos submarinos operados remotamente (ROVs) não autônomos – controlados e alimentados a partir da superfície por um operador / piloto via umbilical ou usando controle remoto. Em aplicações militares, um AUV é mais freqüentemente chamado de veículo submarino não tripulado (UUV). Planadores subaquáticos são uma subclasse de AUVs.
História
O primeiro AUV foi desenvolvido no Laboratório de Física Aplicada da Universidade de Washington, em 1957, por Stan Murphy, Bob François e, mais tarde, Terry Ewart. O “Special Purpose Underwater Research Vehicle”, ou SPURV, foi usado para estudar difusão, transmissão acústica e ondas de submarinos.
Outros primeiros AUVs foram desenvolvidos no Massachusetts Institute of Technology na década de 1970. Um deles está em exibição na Hart Nautical Gallery no MIT. Ao mesmo tempo, os AUVs também foram desenvolvidos na União Soviética (embora isso não fosse comumente conhecido até muito mais tarde).
Aplicações
Até há relativamente pouco tempo, os AUVs foram utilizados para um número limitado de tarefas ditadas pela tecnologia disponível. Com o desenvolvimento de recursos de processamento mais avançados e fontes de alimentação de alto rendimento, os AUVs agora estão sendo usados para mais e mais tarefas, com papéis e missões em constante evolução.
Comercial
A indústria de petróleo e gás usa os AUVs para fazer mapas detalhados do fundo do mar antes de começarem a construir infraestrutura submarina; os encanamentos e as finalizações submarinas podem ser instalados da maneira mais econômica possível com o mínimo de interrupção do meio ambiente. O AUV permite que as empresas de pesquisa conduzam pesquisas precisas de áreas onde os levantamentos batimétricos tradicionais seriam menos eficazes ou muito caros. Além disso, os levantamentos pós-lay pipe agora são possíveis, o que inclui inspeção de tubulação. O uso de AUVs para inspeção de tubulações e inspeção de estruturas submersas feitas pelo homem está se tornando mais comum.
Pesquisa
Um pesquisador da Universidade do Sul da Flórida implanta o Tavros02, um AUV (SAUV) “tweeting” movido a energia solar
Os cientistas usam AUVs para estudar os lagos, o oceano e o fundo do oceano. Uma variedade de sensores pode ser afixada nos AUVs para medir a concentração de vários elementos ou compostos, a absorção ou reflexão da luz e a presença de vida microscópica. Exemplos incluem sensores de profundidade de temperatura de condutividade (CTDs), fluorômetros e sensores de pH. Além disso, os AUVs podem ser configurados como veículos de reboque para fornecer pacotes de sensores personalizados para locais específicos.
Passatempo
Muitos roboticistas constroem AUVs como hobby. Existem várias competições que permitem que estes AUVs caseiros competam uns contra os outros enquanto cumprem os objetivos. Como seus irmãos comerciais, esses AUVs podem ser equipados com câmeras, luzes ou sonares. Como conseqüência de recursos limitados e inexperiência, os AUVs amadores raramente podem competir com modelos comerciais em profundidade operacional, durabilidade ou sofisticação. Finalmente, esses AUVs de hobby geralmente não são oceânicos, sendo operados a maior parte do tempo em piscinas ou lagos. Um AUV simples pode ser construído a partir de um microcontrolador, caixa de pressão de PVC, atuador de trava automática de porta, seringas e um relé DPDT. Alguns participantes em competições criam designs de código aberto.
Tráfico ilegal de drogas
Os submarinos que viajam de forma autônoma para um destino por meio da navegação por GPS foram feitos por traficantes de drogas ilegais.
Investigações de acidentes aéreos
Veículos submarinos autônomos, por exemplo, AUV ABYSS, foram usados para encontrar naufrágios de aviões desaparecidos, por exemplo, o vôo 447 da Air France, e o AUX Bluefin-21 foi usado na busca pelo vôo 370 da Malaysia Airlines.
Aplicações militares
O Plano Diretor do Veículo Submarino Não Tripulado da Marinha dos EUA (UUV) identificou as seguintes missões do UUV:
Inteligência, vigilância e reconhecimento
Minhas contramedidas
Guerra anti-submarino
Inspeção / identificação
Oceanografia
Nós da rede de comunicação / navegação
Entrega de carga útil
Operações de informação
Golpe crítico no tempo
O Plano Diretor da Marinha dividiu todos os UUVs em quatro classes:
Classe de veículo portátil: deslocamento de 25 a 100 lb; 10 a 20 horas de resistência; lançado a partir de pequenas embarcações de água manualmente (ou seja, Mk 18 Mod 1 Swordfish UUV)
Classe de veículo leve: até 500 libras de deslocamento, 20 a 40 horas de resistência; lançado a partir do RHIB usando o sistema de lançamento / recuperação ou por guindastes de navios de superfície (ou seja, Mk 18 Mod 2 Kingfish UUV)
Classe de veículo pesado: deslocamento de até 3.000 lb, 40 a 80 horas de resistência, lançado a partir de submarinos
Grande classe de veículos: deslocamento de até 10 toneladas; lançado a partir de navios e submarinos de superfície
Projetos de veículos
Centenas de diferentes AUVs foram projetados nos últimos 50 anos, mas apenas algumas empresas vendem veículos em números significativos. Existem cerca de 10 empresas que vendem AUVs no mercado internacional, incluindo a Kongsberg Maritime, a Hydroid (agora uma subsidiária da Kongsberg Maritime), a Bluefin Robotics, a Teledyne Gavia (anteriormente conhecida como Hafmynd), a International Submarine Engineering (ISE) Ltd, a Atlas Elektronik e OceanScan.
Veículos variam em tamanho de homem leve portátil AUVs para veículos de grande diâmetro de mais de 10 metros de comprimento. Veículos de grande porte têm vantagens em termos de resistência e capacidade de carga útil do sensor; veículos menores se beneficiam significativamente da logística mais baixa (por exemplo: pegada de embarcação de apoio; sistemas de lançamento e recuperação).
Alguns fabricantes beneficiaram de patrocínios governamentais nacionais, incluindo o atum-rabilho e a Kongsberg. O mercado está efetivamente dividido em três áreas: científica (incluindo universidades e agências de pesquisa), offshore comercial (petróleo e gás, etc.) e aplicação militar (contramedidas de minas, preparação de espaço de batalha). A maioria dessas funções utiliza um design semelhante e opera em um modo de cruzeiro (tipo torpedo). Eles coletam dados enquanto seguem uma rota pré-planejada em velocidades entre 1 e 4 nós.
AUVs comercialmente disponíveis incluem vários projetos, como o pequeno REMUS 100 AUV originalmente desenvolvido pela Woods Hole Oceanographic Institution nos EUA e agora produzido comercialmente pela Hydroid, Inc. (uma subsidiária integral da Kongsberg Maritime); os maiores HUGIN 1000 e 3000 AUVs desenvolvidos pela Kongsberg Maritime e pelo Norwegian Defense Research Establishment; os veículos Bluefin Robotics de 12 e 21 polegadas de diâmetro (300 e 530 mm) e a International Submarine Engineering Ltd. A maioria dos AUVs segue a forma tradicional do torpedo, visto que é o melhor compromisso entre tamanho, volume utilizável, eficiência hidrodinâmica e facilidade de manuseio. Existem alguns veículos que fazem uso de um design modular, permitindo que os componentes sejam facilmente trocados pelos operadores.
O mercado está evoluindo e os projetos estão agora seguindo os requisitos comerciais, em vez de serem puramente de desenvolvimento. Os futuros projetos incluem AUVs com foco no mouse para inspeção e intervenção de luz (principalmente para aplicações de energia offshore) e projetos de AUV / ROV híbridos que alternam entre funções como parte de seu perfil de missão. Mais uma vez, o mercado será impulsionado por exigências financeiras e o objetivo de economizar dinheiro e tempo de envio caro.
Hoje, enquanto a maioria dos AUVs é capaz de missões não supervisionadas, a maioria dos operadores permanece dentro do alcance dos sistemas de telemetria acústica, a fim de manter uma vigilância atenta ao seu investimento. Isto nem sempre é possível. Por exemplo, o Canadá recebeu recentemente dois AUVs (ISE Explorers) para inspecionar o fundo do mar sob o gelo do Ártico, em apoio a sua alegação, nos termos do artigo 76 da Convenção das Nações Unidas sobre o Direito do Mar. Além disso, variantes de longo alcance de baixíssimo consumo de energia, como planadores submarinos, estão se tornando incapazes de operar por semanas ou meses em áreas litorâneas abertas, transmitindo periodicamente dados via satélite para terra antes de voltarem a ser recolhidos.
A partir de 2008, uma nova classe de AUVs está sendo desenvolvida, que imita projetos encontrados na natureza. Embora a maioria esteja atualmente em seus estágios experimentais, esses veículos biomiméticos (ou biônicos) são capazes de atingir maiores níveis de eficiência em propulsão e capacidade de manobra, copiando projetos de sucesso na natureza. Dois destes veículos são o AquaJelly da Festo (AUV) e o EvoLogics BOSS Manta Ray.
Sensores
Os AUVs transportam sensores para navegar de forma autônoma e mapear as características do oceano. Sensores típicos incluem bússolas, sensores de profundidade, sidescan e outros sonares, magnetômetros, termistores e sondas de condutividade. Alguns AUVs são equipados com sensores biológicos, incluindo fluorômetros (também conhecidos como sensores de clorofila), sensores de turbidez e sensores para medir o pH e as quantidades de oxigênio dissolvido.
Uma demonstração em Monterey Bay, na Califórnia, em setembro de 2006, mostrou que um AUV de 21 polegadas (530 mm) de diâmetro pode rebocar um conjunto de hidrofones de 400 pés (120 m), mantendo uma velocidade de cruzeiro de 6 nós (11 km / h).
Navegação
As ondas de rádio não podem penetrar na água muito longe, então, assim que um AUV mergulha, ele perde seu sinal de GPS. Portanto, um modo padrão para os AUVs navegarem embaixo d’água é através do cálculo morto. A navegação pode, no entanto, ser melhorada usando um sistema de posicionamento acústico subaquático. Ao operar dentro de uma rede de transponders de linha de base implantados no fundo do mar, isso é conhecido como navegação LBL. Quando uma referência de superfície, como uma nave de apoio, está disponível, o posicionamento ultracurto de linha de base (USBL) ou de linha de base curta (SBL) é usado para calcular onde o veículo submarino é relativo à posição conhecida (GPS) da embarcação de superfície por meio de medições acústicas da escala e do rolamento. Para melhorar a estimativa de sua posição e reduzir os erros no cálculo de deadcrts (que crescem ao longo do tempo), o AUV também pode aparecer e ter sua própria correção de GPS. Entre posições fixas e manobras precisas, um Sistema de Navegação Inercial a bordo do AUV calcula através do cálculo da posição, aceleração e velocidade do AUV. As estimativas podem ser feitas usando dados de uma Unidade de Medida Inercial e podem ser melhoradas adicionando um DVL (Doppler Velocity Log), que mede a taxa de deslocamento sobre o fundo do mar / lago. Normalmente, um sensor de pressão mede a posição vertical (profundidade do veículo), embora a profundidade e a altitude também possam ser obtidas de medições de DVL. Essas observações são filtradas para determinar uma solução final de navegação.
Propulsão
Existem algumas técnicas de propulsão para os AUVs. Alguns deles usam um motor elétrico escovado ou sem escova, caixa de engrenagens, selo labial e uma hélice que pode estar rodeada por um bocal ou não. Todas essas partes incorporadas na construção do AUV estão envolvidas na propulsão. Outros veículos usam uma unidade propulsora para manter a modularidade. Dependendo da necessidade, o propulsor pode ser equipado com um bocal para proteção contra colisão da hélice ou para reduzir a emissão de ruído, ou pode ser equipado com propulsor direto para manter a eficiência no mais alto nível e os ruídos no nível mais baixo. Os propulsores AUV avançados têm um sistema de vedação do eixo redundante para garantir uma vedação adequada do robô, mesmo se um dos lacres falhar durante a missão.
Planadores subaquáticos não se impulsionam diretamente. Ao mudar sua flutuabilidade e aparar, eles repetidamente afundam e ascendem; “asas” de aerofólio convertem esse movimento para cima e para baixo para avançar o movimento. A mudança de flutuabilidade é tipicamente feita através do uso de uma bomba que pode absorver ou empurrar a água para fora. O campo do veículo pode ser controlado mudando o centro de massa do veículo. Para os planadores Slocum isso é feito internamente movendo as baterias, que são montadas em um parafuso. Por causa de sua eletrônica de baixa velocidade e baixa potência, a energia necessária para o ciclo de estados de compensação é muito menor do que para os AUVs regulares, e os planadores podem ter durabilidade de meses e faixas transoceânicas.
Poder
A maioria dos AUVs atualmente em uso é alimentada por baterias recarregáveis (íon de lítio, polímero de lítio, hidreto metálico de níquel etc.) e são implementadas com algum tipo de sistema de gerenciamento de bateria. Alguns veículos usam baterias primárias que fornecem talvez o dobro da resistência – a um custo extra substancial por missão. Alguns dos veículos maiores são alimentados por células semi-combustível à base de alumínio, mas estes requerem manutenção substancial, exigem recargas caras e produzem resíduos de produtos que devem ser manuseados com segurança. Uma tendência emergente é combinar diferentes sistemas de bateria e energia com supercapacitores.