Autonomiczny pojazd podwodny

„AUV” przekierowuje tutaj. Aby zapoznać się z typem pojazdu drogowego, zobacz azjatycki pojazd użytkowy .
Zdjęcie wykonane przez pracownika Bluefin Robotics Corporation podczas ćwiczeń US Navy Autonomous Underwater Vehicle (BPAUV) przygotowującego do bitwy .
Blackghost AUV jest przeznaczony do samodzielnego pokonywania podwodnego kursu szturmowego bez kontroli z zewnątrz.
Pluto Plus AUV do identyfikacji i niszczenia min podwodnych. Od norweskiego niszczyciela min KNM Hinnøy

Autonomiczny pojazd podwodny ( AUV ) to robot , który porusza się pod wodą bez konieczności ciągłej interwencji ze strony operatora. AUV stanowią część większej grupy systemów podwodnych zwanych bezzałogowymi pojazdami podwodnymi , do której zalicza się nieautonomiczne zdalnie sterowane pojazdy podwodne (ROV) – sterowane i zasilane z powierzchni przez operatora/pilota za pośrednictwem pępowiny lub za pomocą pilota. W zastosowaniach wojskowych AUV jest częściej określany jako bezzałogowy pojazd podwodny ( UUV ). Szybowce podwodne to podklasa AUV.

Historia

Pierwszy AUV został opracowany w Laboratorium Fizyki Stosowanej na Uniwersytecie Waszyngtońskim już w 1957 roku przez Stana Murphy'ego, Boba Francois, a później Terry'ego Ewarta. „Podwodny pojazd badawczy specjalnego przeznaczenia” ( SPURV ) był używany do badania dyfuzji, transmisji akustycznej i kilwateru podwodnego.

Inne wczesne AUV zostały opracowane w Massachusetts Institute of Technology w latach siedemdziesiątych. Jeden z nich jest wystawiony w Hart Nautical Gallery w MIT. W tym samym czasie AUV rozwijano także w Związku Radzieckim (chociaż było to powszechnie znane dopiero znacznie później).

Aplikacje

Tego typu pojazdy podwodne stały się ostatnio atrakcyjną alternatywą dla podwodnych poszukiwań i eksploracji, ponieważ są tańsze niż pojazdy załogowe. W ostatnich latach podjęto liczne próby opracowania pojazdów podwodnych, aby sprostać wyzwaniom programów eksploracji i wydobycia w oceanach. Ostatnio naukowcy skupili się na rozwoju pojazdów typu AUV do długoterminowego gromadzenia danych w oceanografii i zarządzaniu wybrzeżem.

Handlowy

Przemysł naftowy i gazowy wykorzystuje AUV do sporządzania szczegółowych map dna morskiego, zanim zaczną budować infrastrukturę podwodną; rurociągi i elementy podmorskie mogą być instalowane w najbardziej opłacalny sposób przy minimalnym ingerencji w środowisko. AUV umożliwia firmom geodezyjnym przeprowadzanie precyzyjnych pomiarów obszarów, w których tradycyjne pomiary batymetryczne byłyby mniej skuteczne lub zbyt kosztowne. Obecnie możliwe są również badania rur po ułożeniu, w tym inspekcja rurociągu. Wykorzystanie pojazdów typu AUV do inspekcji rurociągów i inspekcji podwodnych konstrukcji wykonanych przez człowieka staje się coraz bardziej powszechne. [ Potrzebne źródło ] Trwają również prace nad pojazdami typu AUV do potencjalnego wydobycia dna morskiego i/lub pozyskiwania polimetalicznych skał sferoidalnych .

Badania

University of South Florida wdraża Tavros02 , zasilany energią słoneczną „tweetujący” AUV (SAUV)

Naukowcy używają AUV do badania jezior, oceanów i dna oceanów. Do AUV można przymocować różnorodne czujniki w celu pomiaru stężenia różnych pierwiastków lub związków, absorpcji lub odbicia światła oraz obecności mikroskopijnego życia. Przykłady obejmują czujniki przewodności, temperatury i głębokości (CTD), fluorometry i czujniki pH . Ponadto AUV można skonfigurować jako pojazdy holownicze, aby dostarczać dostosowane pakiety czujników do określonych lokalizacji.

Applied Physics Lab na University of Washington tworzy iteracje swojej platformy Seaglider AUV od lat pięćdziesiątych XX wieku. Chociaż Seaglider został pierwotnie zaprojektowany do badań oceanograficznych, w ostatnich latach spotkał się z dużym zainteresowaniem organizacji, takich jak Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych czy przemysł naftowy i gazowy. Fakt, że te autonomiczne szybowce są stosunkowo niedrogie w produkcji i eksploatacji, wskazuje na większość platform AUV, które odniosą sukces w niezliczonych zastosowaniach. [ słowa łasicy ] [ niejasne ] [ potrzebne wyjaśnienie ]

Przykładem AUV wchodzącego w bezpośrednią interakcję z otoczeniem jest robot Starfish Crown-Of-Thorns ( COTSBot ) stworzony przez Queensland University of Technology (QUT). COTSBot znajduje i eliminuje rozgwiazdę koronę cierniową ( Acanthaster planci ), gatunek niszczący Wielką Rafę Koralową . Wykorzystuje sieć neuronową do identyfikacji rozgwiazdy i wstrzykuje sole żółciowe , aby ją zabić.

Hobby

Zobacz też: Organizacja osobistych łodzi podwodnych

Wielu robotyków konstruuje AUV jako hobby. Istnieje kilka zawodów, które pozwalają tym domowym pojazdom AUV konkurować ze sobą, osiągając cele. Podobnie jak ich komercyjni bracia, te AUV mogą być wyposażone w kamery, światła lub sonar. W wyniku ograniczonych zasobów i braku doświadczenia, AUV hobbystów rzadko mogą konkurować z modelami komercyjnymi pod względem głębokości operacyjnej, trwałości lub wyrafinowania. Wreszcie, te hobbystyczne AUV zwykle nie pływają po oceanach, przez większość czasu są eksploatowane w basenach lub jeziorach. Prosty AUV można zbudować z mikrokontrolera, z PCV , siłownika automatycznego zamka drzwi, strzykawek i przekaźnika DPDT . Niektórzy uczestnicy konkursów tworzą projekty, które opierają się na oprogramowaniu typu open source.

Nielegalny handel narkotykami

Okręty podwodne, które autonomicznie podróżują do celu za pomocą nawigacji GPS, zostały stworzone przez nielegalnych handlarzy narkotyków.

Badania katastrof lotniczych

Autonomiczne pojazdy podwodne, na przykład AUV ABYSS , zostały wykorzystane do odnalezienia wraków zaginionych samolotów, np. Air France Flight 447 , a Bluefin-21 AUV został wykorzystany do poszukiwań Malaysia Airlines Flight 370 .

Aplikacje wojskowe

MK 18 MOD 1 Miecznik UUV
Mk 18 Mod 2 Kingfish UUV
Premiera Kingfish UUV

Główny plan bezzałogowego pojazdu podwodnego (UUV) Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych określił następujące misje UUV:

  • Wywiad, obserwacja i rozpoznanie
  • Moje środki zaradcze
  • Wojna przeciw okrętom podwodnym
  • Inspekcja/identyfikacja
  • Oceanografia
  • Węzły sieci komunikacyjnej/nawigacyjnej
  • Dostawa ładunku
  • Operacje informacyjne
  • Uderzenia krytyczne czasowo

Plan generalny marynarki wojennej podzielił wszystkie UUV na cztery klasy:

  • Klasa pojazdu przenośnego dla człowieka: wyporność 25–100 funtów; wytrzymałość 10–20 godzin; wystrzeliwany ręcznie z małej jednostki pływającej (tj. Mk 18 Mod 1 Swordfish UUV )
  • Klasa pojazdu lekkiego: wyporność do 500 funtów, wytrzymałość 20–40 godzin; wystrzelony z RHIB za pomocą systemu launch-retriever lub dźwigów ze statków nawodnych (tj. Mk 18 Mod 2 Kingfish UUV )
  • Klasa pojazdów ciężkich: wyporność do 3000 funtów, wytrzymałość 40–80 godzin, wystrzeliwana z łodzi podwodnych
  • Duża klasa pojazdów: do 10 długich ton wyporności; wystrzeliwanych ze statków nawodnych i łodzi podwodnych

W 2019 roku Marynarka Wojenna zamówiła pięć UUV Orca , co było pierwszym nabytkiem bezzałogowych okrętów podwodnych zdolnych do walki.

Projekty pojazdów

W ciągu ostatnich 50 lat zaprojektowano setki różnych AUV, ale tylko kilka firm sprzedaje pojazdy w znacznych ilościach. Istnieje około 10 firm, które sprzedają pojazdy typu AUV na rynku międzynarodowym, w tym Kongsberg Maritime , HII (dawniej Hydroid, a wcześniej należąca do Kongsberg Maritime)), Bluefin Robotics , Teledyne Gavia (wcześniej znana jako Hafmynd), International Submarine Engineering (ISE) Ltd. , Atlas Elektronik , RTsys i OceanScan.

Pojazdy mają różne rozmiary, od przenośnych lekkich pojazdów typu AUV do pojazdów o dużej średnicy i długości ponad 10 metrów. Duże pojazdy mają zalety pod względem wytrzymałości i ładowności czujników; mniejsze pojazdy znacznie korzystają z niższej logistyki (na przykład: powierzchnia zajmowana przez statek pomocniczy; systemy startu i odzyskiwania).

Niektórzy producenci skorzystali ze sponsoringu rządu krajowego, w tym Bluefin i Kongsberg. Rynek jest faktycznie podzielony na trzy obszary: naukowy (w tym uniwersytety i agencje badawcze), komercyjny offshore (energia morska, minerały morskie itp.) oraz zastosowania związane z obronnością (przeciwminowanie, przygotowanie przestrzeni bojowej). Większość tych ról wykorzystuje podobny projekt i działa w trybie przelotowym (typu torpedowego). Zbierają dane, podążając zaplanowaną trasą z prędkością od 1 do 4 węzłów.

Dostępne w handlu AUV obejmują różne projekty, takie jak mały REMUS 100 AUV, pierwotnie opracowany przez Woods Hole Oceanographic Institution w USA, a obecnie produkowany komercyjnie przez HII; rodzina AUV HUGIN obejmująca HUGIN, HUGIN Edge, HUGIN Superior i HUGIN Endurance, opracowana przez Kongsberg Maritime i Norwegian Defence Research Establishment ; pojazdy Bluefin Robotics o średnicy 12 i 21 cali (300 i 530 mm); ISE Ltd. Explorer; Solus LR firmy Cellula Robotics; RT Sys Comet i NemoSens AUV; Teledyne's Gavia, Osprey i SeaRaptor; oraz seria pojazdów AUV L3 Harris Ocean Server Iver.

Większość AUV należy do klasy przeglądowej lub przelotowych AUV, w kształcie cylindrycznym lub torpedowym z napędzanym śmigłem. Jest to postrzegane jako najlepszy kompromis między rozmiarem, objętością użytkową, wydajnością hydrodynamiczną i łatwością obsługi. Istnieją pojazdy, które wykorzystują konstrukcję modułową, umożliwiając operatorom łatwą wymianę komponentów. Niektóre najnowsze rozwiązania odchodzą od tradycyjnego cylindrycznego kształtu na rzecz innych rozwiązań, takich jak Saab's Sabretooth hybrid R/AUV lub niedawno wprowadzony na rynek HUGIN Edge. Optymalizują one kształt zgodnie z wymaganiami operacyjnymi (Sabretooth) lub korzystają z właściwości hydrodynamicznych o niskim oporze (HUGIN Edge).

Rynek dojrzał od 2010 r., kładąc większy nacisk na dane niż na charakterystykę pojazdu. Operatorzy są bardziej świadomi technicznie, a wykorzystanie pojazdów AUV proporcjonalnie wzrosło. Coraz więcej operatorów korzysta ze swoich systemów autonomicznie, zamiast nadzorować pojazdy za pomocą łącza akustycznego. W rezultacie przetwarzanie pokładowe i autonomia podczas misji stały się ważniejszymi cechami pojazdów AUV. Większość pojazdów AUV ma coś, co uważa się za autonomię nawigacyjną lub opartą na zdarzeniach. Będą postępować zgodnie z geograficznym planem misji z różnymi zdarzeniami związanymi z obsługą czujników, zmianą kursu lub powrotem na powierzchnię. Niektóre AUV mają autonomię adaptacyjną, na przykład możliwość dostosowania kursu w celu uniknięcia przeszkód na zaplanowanej trasie. Obecny stan techniki to pojazd, który gromadzi, przetwarza i wykorzystuje dane, które uzyskał bez udziału operatora.

Od 2008 roku opracowywana jest nowa klasa pojazdów AUV, które naśladują projekty występujące w naturze. Chociaż większość z nich znajduje się obecnie w fazie eksperymentalnej, te biomimetyczne (lub bioniczne ) pojazdy są w stanie osiągnąć wyższy stopień wydajności w zakresie napędu i manewrowości, kopiując udane projekty w naturze. Dwa takie pojazdy to Festo 's AquaJelly (AUV) i EvoLogics BOSS Manta Ray.

Czujniki

AUV są wyposażone w czujniki do autonomicznej nawigacji i mapowania cech oceanu. Typowe czujniki obejmują kompasy , czujniki głębokości, sonar boczny i inne , magnetometry , termistory i sondy przewodnictwa. Niektóre AUV są wyposażone w czujniki biologiczne, w tym fluorometry (znane również jako czujniki chlorofilu ), czujniki zmętnienia i czujniki do pomiaru pH i ilości rozpuszczonego tlenu .

Demonstracja w Monterey Bay w Kalifornii we wrześniu 2006 roku wykazała, że ​​pojazd AUV o średnicy 21 cali (530 mm) może holować zestaw hydrofonów o długości 400 stóp (120 m), utrzymując prędkość 6 węzłów (11 km/h). prędkość przelotowa. [ potrzebne źródło ]

Nawigacja

Fale radiowe nie mogą penetrować wody zbyt daleko, więc gdy tylko AUV nurkuje, traci sygnał GPS. Dlatego standardowym sposobem poruszania się pojazdów AUV pod wodą jest zliczanie martwe . Nawigację można jednak usprawnić, stosując podwodny akustyczny system pozycjonowania . Podczas działania w sieci transponderów bazowych rozmieszczonych na dnie morskim jest to znane jako nawigacja LBL . Gdy dostępne jest odniesienie powierzchniowe, takie jak statek pomocniczy, ultrakrótkiej linii bazowej (USBL) lub krótkiej linii bazowej (SBL) jest używane do obliczenia położenia pojazdu podwodnego względem znanej ( GPS ) pozycji jednostki nawodnej za pomocą pomiarów zasięgu akustycznego i łożysk. Aby poprawić szacowanie swojej pozycji i zredukować błędy w obliczeniach martwych (które rosną z czasem), AUV może również wynurzyć się i pobrać własną pozycję GPS. Pomiędzy ustalaniem pozycji i do precyzyjnego manewrowania, system nawigacji bezwładnościowej na pokładzie AUV oblicza na podstawie obliczeń pozycję AUV, przyspieszenie i prędkość. Szacunków można dokonywać na podstawie danych z jednostki pomiaru bezwładności i można je poprawić, dodając dziennik prędkości Dopplera (DVL), który mierzy prędkość przemieszczania się nad dnem morza/jeziora. Zazwyczaj czujnik ciśnienia mierzy pozycję pionową (głębokość pojazdu), chociaż głębokość i wysokość można również uzyskać z pomiarów DVL. Te obserwacje są filtrowane w celu określenia ostatecznego rozwiązania nawigacyjnego.

Napęd

Istnieje kilka technik napędu pojazdów AUV. Niektóre z nich wykorzystują szczotkowy lub bezszczotkowy silnik elektryczny, skrzynię biegów, uszczelkę wargową i śmigło, które może być otoczone dyszą lub nie. Wszystkie te części osadzone w konstrukcji AUV biorą udział w napędzie. Inne pojazdy wykorzystują jednostkę napędową , aby zachować modułowość. W zależności od potrzeb, ster strumieniowy może być wyposażony w dyszę chroniącą przed kolizją śmigła lub redukującą hałas, lub może być wyposażony w ster strumieniowy z napędem bezpośrednim, aby utrzymać wydajność na najwyższym poziomie, a hałas na najniższym poziomie. Zaawansowane pędniki AUV posiadają redundantny system uszczelnień wału, który gwarantuje właściwe uszczelnienie robota, nawet jeśli jedno z uszczelnień ulegnie awarii podczas misji. [ potrzebne źródło ]

Szybowce podwodne nie napędzają się bezpośrednio. Zmieniając swoją pływalność i trym, wielokrotnie toną i wynurzają się; płata przekształcają ten ruch w górę iw dół w ruch do przodu. Zmiana wyporu jest zwykle wykonywana za pomocą pompy, która może pobierać lub wypychać wodę. Pochylenie pojazdu można kontrolować, przesuwając środek masy pojazdu. W przypadku szybowców Slocum odbywa się to wewnętrznie poprzez przesunięcie akumulatorów, które są zamontowane na śrubie. Ze względu na ich niską prędkość i elektronikę o niskim poborze mocy, energia wymagana do cyklicznych stanów trymowania jest znacznie mniejsza niż w przypadku zwykłych AUV, a szybowce mogą mieć wytrzymałość miesięcy i zasięgi transoceaniczne. [ potrzebne źródło ]

Komunikacja

Ponieważ fale radiowe nie rozchodzą się dobrze pod wodą, wiele AUV zawiera modemy akustyczne, aby umożliwić zdalne dowodzenie i kontrolę. Modemy te zazwyczaj wykorzystują zastrzeżone techniki komunikacyjne i schematy modulacji. W 2017 roku NATO ratyfikowało standard ANEP-87 JANUS dotyczący komunikacji podmorskiej. Standard ten pozwala na łącza komunikacyjne 80 BPS z elastycznym i rozszerzalnym formatowaniem wiadomości. [ potrzebne źródło ] Badane są alternatywne techniki komunikacji, w tym techniki optyczne, indukcyjne i oparte na częstotliwości radiowej, które można łączyć w rozwiązania multimodalne. Prowadzone są również oceny nowych technik komunikacyjnych, które są w stanie wykorzystać infrastrukturę jako ścieżkę komunikacyjną w celu zapewnienia alternatywnych ścieżek i możliwości komunikacyjnych z pojazdów.

Moc

Większość używanych obecnie pojazdów AUV jest zasilana akumulatorami ( litowo-jonowymi , litowo-polimerowymi , niklowo-wodorkowymi itp.) i jest wdrażana z jakąś formą systemu zarządzania akumulatorami . Niektóre pojazdy wykorzystują akumulatory pierwotne , które zapewniają prawdopodobnie dwukrotnie większą wytrzymałość — przy znacznym dodatkowym koszcie na misję. Wcześniej niektóre systemy wykorzystywały pół- ogniwa paliwowe na bazie aluminium , ale wymagają one znacznej konserwacji, kosztownych uzupełnień i wytwarzają odpady, z którymi należy bezpiecznie się obchodzić. Pojawiającym się trendem jest łączenie różnych baterii i systemów zasilania z superkondensatorami . [ potrzebne źródło ]

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Autonomous_underwater_vehicle&oldid=1139608583 ”