ΒΕΛΤΙΣΤΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΡΟΜΠΟΤΙΚΟΥ ΣΚΑΦΟΥΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ

Transcript

1 ΒΕΛΤΙΣΤΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΡΟΜΠΟΤΙΚΟΥ ΣΚΑΦΟΥΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ Β. Κανακάκης, Π. Σπανουδάκης, Ν. Τσουρβελούδης Εργαστήριο Ευφυών Συστημάτων και Ρομποτικής Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης, Πολυτεχνείο Κρήτης, 731 Χανιά. ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα εργασία περιγράφεται η μεθοδολογία σχεδίασης για την ανάπτυξη και κατασκευή ενός μη επανδρωμένου σκάφους επιφανείας του Πολυτεχνείου Κρήτης. Αρχικά πραγματοποιήθηκε έρευνα αγοράς για να αξιολογηθούν τα αυτόνομα σκάφη τα οποία είναι διαθέσιμα παγκοσμίως. Ακολούθως, σύμφωνα με τα ευρήματα της έρευνας, τέθηκαν οι προδιαγραφές και τα επιθυμητά χαρακτηριστικά του νέου σκάφους, ώστε αυτό να είναι ανταγωνιστικό με ήδη διαθέσιμα σκάφη. Για τη σχεδίαση του σκάφους χρησιμοποιήθηκε γενετικός αλγόριθμος, ώστε να εξασφαλισθεί η βέλτιστη εκπλήρωση των επιθυμητών προδιαγραφών. Για να εξακριβωθεί και επιβεβαιωθεί η αντοχή του σκάφους βάση των χαρακτηριστικών της σχεδίασης που προέκυψε, πραγματοποιήθηκε μελέτη της αντοχής του σκάφους μέσω ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων. Τέλος, το νέο σκάφος αφού κατασκευάστηκε, δοκιμάστηκε σε πραγματικές συνθήκες ώστε να διαπιστωθεί ότι πληρεί τις προδιαγραφές σχεδίασης. Λέξεις- κλειδιά: Ρομποτικό σκάφος επιφανείας, βέλτιστη σχεδίαση σκάφους, γενετικοί αλγόριθμοι. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ως Μη Επανδρωμένο ή Ρομποτικό Σκάφος Επιφανείας (Unmanned Surface Vehicle - USV) ορίζεται κάθε ρομποτικό όχημα το οποίο λειτουργεί στην υδάτινη επιφάνεια, χωρίς την ύπαρξη πληρώματος. Τα πρώτα μη επανδρωμένα σκάφη επιφανείας αναφέρονται στην αρχαιότητα, αλλά η συστηματική τους εξέλιξη ξεκίνησε τον προηγούμενο αιώνα. Το πρώτο σύγχρονο σκάφος επιφανείας χωρίς πλήρωμα ήταν το COMOX, το οποίο αναπτύχθηκε από τους Καναδούς το Από τότε έγιναν διάφορες σχεδιάσεις, οι οποίες περιγράφονται στα (Portman, 22) και (Moire, 23) και πιο πρόσφατα στο (USA Navy Dept, 27). Μετά το 2, έγιναν περισσότερες σχεδιάσεις ρομποτικών σκαφών επιφανείας τα οποία αναπτύχθηκαν ως ιδιαίτερη κατηγορία ρομποτικών οχημάτων, ιδιαίτερα από τις ΗΠΑ (Bertram, 23), (Cooper, 22), (Ebken, 25). Πάντως σε σύγκριση με άλλες κατηγορίες ρομποτικών σκαφών που χρησιμοποιούνται στο έδαφος, στον αέρα και υποβρυχίως, υπάρχουν λίγες σχεδιάσεις μη επανδρωμένων σκαφών υδάτινης επιφανείας που έχουν ολοκληρωθεί, αναπτυχθεί και δοκιμαστεί σε πραγματικές συνθήκες. Οι συνήθεις περιοχές εφαρμογής των μη επανδρωμένων σκαφών επιφανείας είναι: Α) Επιθεώρηση και αναγνώριση ναυτικών περιοχών και πλοίων, Β) Στρατιωτικές εφαρμογές (αναγνώριση και εξουδετέρωση ναρκών, ανθυποβρυχιακή προστασία, φορέας αυτόνομων συστημάτων κλπ.), Γ) Μετεωρολογία και Ωκεανογραφία, Δ) Βοηθήματα τηλεπικοινωνιών και ναυσιπλοΐας, Ε) Υποστήριξη μεταφορών, ΣΤ) Εκπαιδευτικοί στόχοι, Ζ) Επιχειρήσεις έρευνας και διάσωσης. Ο σκοπός της έρευνας αυτής είναι η ανάπτυξη ενός πρωτοτύπου ρομποτικού σκάφους χαμηλού κόστους με μεγάλη υπηρεσιακή ταχύτητα και εμβέλεια, κατάλληλο για πολλαπλές μη στρατιωτικές εφαρμογές. Οι απαιτήσεις της σχεδίασης τέθηκαν μετά την έρευνα αγοράς, καθώς το νέο σκάφος θα έπρεπε να υπερτερεί του ανταγωνισμού στους εξής τομείς: Ταχύτητα: Η μέγιστη ταχύτητα του νέου σκάφους, αποφασίστηκε να είναι τουλάχιστον 44 κόμβοι σε ήρεμη θάλασσα (κατάσταση θάλασσας Sea State 2 ή χαμηλότερη), ενώ η υπηρεσιακή ταχύτητα θα είναι 27 κόμβοι σε κατάσταση θάλασσας Sea State 5 με βάρος φορτίου 3 kg. Ευκολία χειρισμών: Η λειτουργία του σκάφους θα μπορεί να επιλέγεται να γίνεται χειροκίνητα, τηλεκατευθυνόμενα ή πλήρως αυτόνομα με δυνατότητα αποφυγής εμποδίων και

2 αυτόματου σχεδιασμού πορείας, χαρακτηριστικά τα οποία δεν υπάρχουν σε άλλα ανταγωνιστικά σκάφη. Η σχεδίαση του συστήματος ελέγχου θα πρέπει να είναι συμβατή με εφαρμογές όπως επιτήρηση ακτών, επιτήρηση και μέτρηση της ποιότητας του θαλασσίου περιβάλλοντος, αναγνώριση και διάσωση. Ευκολία χρήσης: Χρησιμοποίηση υπαρχόντων πρωτοκόλλων επικοινωνίας και εξοπλισμού επικοινωνίας με σταθμό βάσης. Το μέγεθος σκάφους δεν θα πρέπει να εμποδίζει την εύκολη μεταφορά του (όχι μεγαλύτερο από 7 m, ώστε να χωράει σε τυποποιημένο εμπορευματοκιβώτιο). Χαμηλό κόστος: Το σκάφος θα είναι συναρμολογημένο από τμήματα και εξαρτήματα τα οποία είναι διαθέσιμα στο εμπόριο. Η σχεδίαση θα είναι τέτοια ώστε να απαιτείται ελάχιστη συντήρηση. Η σχεδίαση και ανάπτυξη του πρωτοτύπου διήρκησε περίπου 18 μήνες. Το τελικό σκάφος (Εικόνα 1) ονομάστηκε ΚΡΗΣΑΛΟΣ και δοκιμάστηκε για πρώτη φορά το 28. Η έρευνα που παρουσιάζεται εδώ χρηματοδοτήθηκε από την Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας και την εταιρεία EADS 3 SIGMA SA, στα πλαίσια του έργου με κωδικό 5EPERKR3. Στα πλαίσια του έργου σχεδιάστηκε σύστημα αυτόνομης πλοήγησης, το οποίο βασίζεται σε ασαφείς ελεγκτές και περιλαμβάνει λειτουργία αποφυγής εμποδίων. Δεδομένου ότι σε πρώτη φάση το ζητούμενο ήταν η ανάπτυξη του σκάφους, το σύστημα πλοήγησης δεν περιγράφεται στην παρούσα εργασία. Εικόνα 1. Το πρωτότυπο μη επανδρωμένο σκάφος επιφανείας ΚΡΗΣΑΛΟΣ (ιδιοκτησία EADS 3SIGMA S.A). Στην παρούσα δημοσίευση περιγράφεται η μεθοδολογία σχεδίασης του σκάφους ΚΡΗΣΑΛΟΣ. Στην παράγραφο 2 δίνεται η κύρια μεθοδολογία βέλτιστης σχεδίασης, όπου παρουσιάζονται η βελτιστοποίηση μέσω του γενετικού αλγορίθμου και η μελέτη αντοχής της γάστρας τους σκάφους. Στην παράγραφο 3 παρουσιάζονται οι δοκιμές σε πραγματικό θαλάσσιο περιβάλλον. Τέλος η δημοσίευση ολοκληρώνεται με την αναφορά στην πρωτοτυπία της σχεδίασης και το εμπορικό ενδιαφέρον που προέκυψε στην αγορά των σκαφών επιφανείας. 2 ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΒΕΛΤΙΣΤΗΣ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ Στο πρώτο στάδιο της σχεδίασης έγινε εκτενής έρευνα της παγκόσμιας αγοράς των αυτόνομων σκαφών επιφανείας και μελετήθηκαν τα χαρακτηριστικά των ανταγωνιστικών σκαφών. Τα δεδομένα που προέκυψαν χρησιμοποιήθηκαν για να καθοριστούν οι περιοχές εφαρμογής και οι προδιαγραφές σχεδίασης του ΚΡΗΣΑΛΟΣ. Οι προδιαγραφές που προέκυψαν από την έρευνα αγοράς, οι οποίες τέθηκαν για το νέο σκάφος δίνονται στον Πίνακα 1. Μέγιστη Ταχύτητα Επιχειρησιακή Ταχύτητα (κατάσταση θάλασσας SS3) Εμβέλεια με Μέγιστη Ταχύτητα Εμβέλεια με Επιχειρησιακή Ταχύτητα Max. operational Sea State Επιχειρησιακό Φορτίο Πίνακας 1. Προδιαγραφές νέου σκάφους. 44 Knots 27 Knots n.miles n.miles Sea State 5-SS5 3 Kg Μετά τον καθορισμό των προδιαγραφών, το επόμενο ζητούμενο ήταν ο προσδιορισμός των διαστάσεων και της μορφής της γάστρας του σκάφους. Ο σωστός καθορισμός των διαστάσεων και της μορφής του σκάφους έχει καθοριστική σημασία για τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του σκάφους και για την επίτευξη των επιθυμητών προδιαγραφών. Οι υπολογισμοί αυτοί συνήθως γίνονται επαναλαμβανόμενα, καθώς μια αλλαγή σε μια διάσταση ή σε ένα χαρακτηριστικό ενός σκάφους επιδρά στα υπόλοιπα χαρακτηριστικά του. Έτσι οι βέλτιστες διαστάσεις καθορίζονται σε σχέση με τα

3 χαρακτηριστικά ευστάθειας, μέγιστου φορτίου, ταχύτητας, απαιτούμενης ιπποδύναμης και δυναμικής απόκρισης σε κυματισμούς. Στην παρούσα σχεδίαση οι βέλτιστες διαστάσεις του σκάφους καθορίστηκαν με την εφαρμογή ενός γενετικού αλγορίθμου. Στην συνέχεια η εφικτότητα της σχεδίασης που προέκυψε από τον γενετικό αλγόριθμο αποδείχθηκε με μελέτη της αντοχής του σκάφους χρησιμοποιώντας ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων. Η ανάλυση αυτή βοήθησε παράλληλα και στην μείωση του βάρους του σκάφους. 2.1 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΓΕΝΕΤΙΚΟΥ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ ΣΤΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗ Ο σκοπός του γενετικού αλγορίθμου είναι η εξέλιξη ενός πληθυσμού από άτομα που αναπαριστούν πιθανές λύσεις. Η επιλογή της βέλτιστης λύσης γίνεται με την κατάταξη όλων των πιθανών λύσεων που αναπαριστούν τα άτομα του πληθυσμού. Η διαδικασία αυτή μιμείται την εξέλιξη βιολογικών πληθυσμών και χρησιμοποιείται σε προβλήματα βελτιστοποίησης, όπου δεν υπάρχει πλήρης μαθηματική αναπαράσταση. Όλα τα χαρακτηριστικά μιας πιθανής λύσης του προβλήματος βελτιστοποίησης περιγράφονται από γονίδια. Ένα σύνολο γονιδίων αναπαριστά μια πιθανή λύση και ονομάζεται άτομο. Στην αρχή του αλγορίθμου, δημιουργείται ένας πληθυσμός με τυχαίες τιμές των γονιδίων σε όλα τα άτομα του. Ο βαθμός στον οποίο το κάθε άτομο αποτελεί την βέλτιστη λύση καθορίζεται από την τιμή που λαμβάνει μια αντικειμενική συνάρτηση. Στο επόμενο βήμα, τα άτομα του πληθυσμού σχηματίζουν απογόνους και περνούν τα γονίδια τους στην επόμενη γενιά. Η συμμετοχή του κάθε ατόμου στον σχηματισμό απογόνων είναι ανάλογη με την τιμή της αντικειμενικής του συνάρτησης, έτσι ώστε συνολικά ο πληθυσμός να βελτιώνεται προς την κατεύθυνση της βέλτιστης λύσης. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται μέχρι τον προκαθορισμένο αριθμό γενεών, οπότε το άτομο του τελευταίου πληθυσμού με την βέλτιστη τιμή της αντικειμενικής συνάρτησης είναι η λύση του προβλήματος βελτιστοποίησης. Ο καθορισμός των βέλτιστων διαστάσεων και του βέλτιστου σχήματος γάστρας του ΚΡΗΣΑΛΟΣ έγινε με την χρησιμοποίηση 5 γονιδίων: του μήκους (L), του πλάτους (B), του βυθίσματος (T), της γωνίας ανύψωσης καθρέπτη (β) και του συντελεστή εκτοπίσματος (cb). Ο αλγόριθμος γενετικής βελτιστοποίησης χρησιμοποιήθηκε αντί της κλασικής μεθόδου σχεδιασμού σκαφών που βασίζεται στην κυκλική επανάληψη των υπολογισμών και στην ταυτόχρονη τροποποίηση των αρχικών διαστάσεων ώστε να χρησιμοποιηθούν οι βέλτιστες. Κατά τον γενετικό αλγόριθμο, τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του σκάφους υπολογίστηκαν με δεδομένες τις τιμές των γονιδίων κάθε ατόμου του πληθυσμού, οι οποίες αναπαριστούν τις κύριες διαστάσεις και το σχήμα της γάστρας. Ο υπολογισμός της αντίστασης σε ήρεμο νερό έγινε με μέθοδο που βασίζεται σε στατιστική ανάλυση της συμπεριφοράς σκαφών με ακμή σε λειτουργία πλήρους ολίσθησης (Lahtiharju et al., 1991), ενώ η πρόσθετη αντίσταση λόγω κυματισμών υπολογίσθηκε με προσεγγιστική μέθοδο (Calkins, 1983). Η κρουστική επιτάχυνση λόγω τυχαίων κυματισμών που θεωρήθηκε ότι στην κατάσταση λειτουργίας θα ακολουθούν το μονοπαραμετρικό μοντέλο Pierson Moskovitz, υπολογίστηκε κατά Savitsky (1985). Τέλος, το μέγιστο φορτίο και το αρχικό μετακεντρικό ύψος υπολογίστηκαν με βάση τις κύριες διαστάσεις και παραδοχές που αφορούν την θέση των βαρών και την κατανομή τους κατά ύψος. Μετά την κατάστρωση και τον προγραμματισμό των εξισώσεων του γενετικού αλγορίθμου, έγινε ο προσδιορισμός των κατάλληλων βαρών με δοκιμές, έτσι ώστε οι λύσεις που έδινε ο γενετικός αλγόριθμος να αναπαριστούν υπαρκτά σκάφη επιφανείας για τα οποία ήταν διαθέσιμα τα χαρακτηριστικά τους. Η αντικειμενική συνάρτηση που χρησιμοποιήθηκε είναι η εξής: f = w P + w P + w P + w P (1) 1 EngPwr 2 GM 3 Payload 4 NCG Η (1) είναι ένα σταθμισμένο άθροισμα τεσσάρων όρων ποινής: της απαιτούμενης ιπποδύναμης P ( EngPwr P ), του αρχικού μετακεντρικού ύψους ( GM P ), του μέγιστου φορτίου ( Payload ) και της κάθετης επιτάχυνσης στο κέντρο βάρους του σκάφους κατά την διάρκεια πλεύσης σε κυματισμούς ( w Οι όροι ποινής σταθμίζονται με τα αντίστοιχα βάρη ( i, i=1, 2, 3, 4), έτσι ώστε το άτομο το οποίο αναπαριστά την βέλτιστη λύση να ελαχιστοποιεί την τιμή της αντικειμενικής συνάρτησης (1). Ο τελευταίος όρος ποινής χρησιμοποιήθηκε ώστε η κάθετη επιτάχυνση κατά την διάρκεια χειρισμών σε P N CG ).

4 κυματισμούς του πρότυπου σκάφους να μην υπερβαίνει μια μέγιστη τιμή, πέρα από την οποία δημιουργείται βλάβη στον μηχανολογικό και ηλεκτρονικό εξοπλισμό. Η γενετική βελτιστοποίηση έγινε σε περιβάλλον Matlab και τα αποτελέσματα δίνονται στην Εικόνα 2. Fitness value x Best: Mean: Best fitness Mean fitness Current best individual Generation Current Best Individual Number of variables (5) Εικόνα 2. Αποτελέσματα γενετικού αλγορίθμου και βέλτιστο άτομο. Το βέλτιστο άτομο που προέκυψε μετά από 1 γενιές φαίνεται στον Πίνακα 2. Επίσης στον Πίνακα 2 φαίνονται οι τελικές διαστάσεις του ΚΡΗΣΑΛΟΣ οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν στην τελική σχεδίαση και κατασκευή του πρωτοτύπου. Οι τελικές διαστάσεις που δίνονται στον Πίνακα 2, χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό των χαρακτηριστικών λειτουργίας του αυτόνομου σκάφους ΚΡΗΣΑΛΟΣ. Έγιναν υπολογισμοί αντίστασης σε διαφορετικές καταστάσεις θάλασσας. Στην Εικόνα 3α παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των υπολογισμών αντίστασης σε ήρεμο νερό, η πρόσθετη αντίσταση λόγω κυματισμών και η συνολική αντίσταση σε κατάσταση θάλασσας Sea State 3. Παράμετροι γενετικού αλγόριθμου Βέλτιστο άτομο Τελικές διαστάσεις Μήκος (m) Πλάτος (m) Βύθισμα (m) Γωνία ανύψωσης πυθμένα (deg) Συντελεστής εκτοπίσματος Πίνακας 2. Βέλτιστες και τελικές διαστάσεις πρωτοτύπου σκάφους. 12 Resistance versus velocity SEA STATE :5, Significant wave height=12 ft Average Vertical Acceleration (g) versus Vs-Sign. wave height for trim=4deg Resistance (Newton) Total Resistance Rt calm water Rws waved surface Significant Wave Height (ft) Vs (Knots) Vs (Knots) Εικόνα 3. α) (Αριστερά) Αντίσταση σε ήρεμο νερό, πρόσθετη αντίσταση λόγω κυμματισμών και συνολική αντίσταση για Sea State 5 (σηματικό ύψος κύματος Η 1/3 = 12 ft). β) (Δεξιά) Κάθετη επιτάχυνση στο κέντρο βάρους του σκάφους για γωνία διαγωγής 4 o. Η κάθετη επιτάχυνση στο κέντρο βάρους του σκάφους υπολογίστηκε για διαφορετικές ταχύτητες

5 ανάλογα με το σημαντικό ύψος κύματος και την γωνία διαγωγής. Στην Εικόνα 3β φαίνεται η κάθετη επιτάχυνση ανάλογα με την ταχύτητα και το σημαντικό ύψος κύματος για γωνία διαγωγής 4 ο. Μετά από εκτενείς παραμετρικές μελέτες, αποδείχτηκε ότι το σκάφος που προέκυψε από τον γενετικό αλγόριθμο ικανοποιεί τις προδιαγραφές σχεδίασης του Πίνακα 1. Οι ναυπηγικές γραμμές του σκάφους σχεδιάστηκαν με το πρόγραμμα FreeShip και στην συνέχεια μελετήθηκε η αντοχή του σκάφους με πεπερασμένα στοιχεία, όπως περιγράφεται στην συνέχεια, προκειμένου να αποδειχθεί η εφικτότητα της σχεδίασης. 2.2 ΜΕΛΕΤΗ ΑΝΤΟΧΗΣ Για την μελέτη αντοχής της γάστρας του σκάφους πραγματοποιήθηκε ανάλυση τάσεων μέσω πεπερασμένων στοιχείων. Προηγήθηκε τρισδιάστατη σχεδίαση των τμημάτων του σκάφους σε Η/Υ σύμφωνα με τις διαστάσεις που προέκυψαν από τα αποτελέσματα του γενετικού αλγόριθμου. Η ανάλυση των τάσεων εφαρμόστηκε στην δυσχερέστερη κατάσταση φόρτωσης, σε συνδυασμό με την υψηλότερη υπηρεσιακή ταχύτητα και την δυσμενέστερη κατάσταση θάλασσας. Αυτές οι συνθήκες καλύπτονται όταν το σκάφος είναι πλήρους φορτίου, με υπηρεσιακή ταχύτητα 27 Knots και κατάσταση θάλασσας Sea State 5. Το πάχος της γάστρας καθορίζεται από τα διαφορετικά επίπεδα υλικών που την συγκροτούν (εποξική ρητίνη, υαλουφάσματα κτλ), το πάχος των οποίων βελτιστοποιείται με σκοπό την μείωση βάρους. Η τοποθέτηση των δυναμικών και των στατικών φορτίων πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με διεθνείς κανονισμούς που εφαρμόζονται στα σκάφη αυτού του τύπου (American Bureau of Shipping, 21), (American Bureau of Shipping, 23), (American Bureau of Shipping, 24). Η ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων έγινε με χρήση του λογισμικού ANSYS. Για την μοντελοποίηση της γάστρας χρησιμοποιήθηκαν συνολικά 8519 στοιχεία τα οποία αντιστοιχούν σε τρεις κατηγορίες στοιχείων με διαφορετικά πάχη και ιδιότητες υλικών, όπως φαίνεται και στους διαφορετικούς χρωματισμούς στην Εικόνα 4α. Η κατανομή των τάσεων που προέκυψε και το βέλτιστο πάχος κάθε τμήματος της γάστρας χρησιμοποιήθηκε για τον καθορισμό των απαραίτητων επάλληλων στρώσεων ρυτίνης και υαλουφάσματος κατά την κατασκευή. Ο αριθμός των στρώσεων αυτών, που διαφέρουν σε κάθε τμήμα καθορίζει το τελικό βέλτιστο βάρος της κατασκευής και ταυτόχρονα εξασφαλίζει μεγάλη διαρκεια ζωής του σκάφους καθώς περιορίζονται τα τοπικά προβλήματα αντοχής. Στην εικόνα 4β φαίνεται με διαφορετικό χρωματισμό η κατανομή τάσεων κατά μήκος της γάστρας, όπως αυτές υπολογίστηκαν με την ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων. Εικόνα 4. α) Μοντελοποίηση με περασμένα στοιχεία, β) Κατανομή τάσεων. 3 ΔΟΚΙΜΕΣ Μετά την κατασκευή του πρωτότυπου σκάφους, η τελική αξιολόγηση του έγινε με δοκιμές ανοιχτής θάλασσας. Στην παράγραφο αυτή παρουσιάζεται σύντομα η δοκιμή μέγιστης ταχύτητας σε ήρεμο νερό που πραγματοποιήθηκε σε θαλάσσιο χώρο κοντά στο Ακρωτήρι Χανίων. Η θερμοκρασία αέρα ήταν 24 o C και η ταχύτητα αέρα ήταν 3 beaufort. Η λειτουργία του σκάφους ήταν τηλεχειριζόμενη, δηλαδή οι εντολές πλοήγησης δίνονται από έναν χειριστή που δεν είχε οπτική επαφή με το σκάφος και βρισκόταν στο κέντρο ελέγχου. Ένα μέρος της διαδρομής του ΚΡΗΣΑΛΟΣ φαίνεται στην Εικόνα 6 με κόκκινες κουκίδες. Επίσης στην Εικόνα 6α δίνονται σημεία στόχοι που έπρεπε να ακολουθήσει το σκάφος. Στην αρχή έγινε δοκιμή ελέγχου της λειτουργίας πλοήγησης του σκάφους με διαδοχικές εντολές αλλαγής κατεύθυνσης και ακολούθως έγινε δοκιμή μέγιστης ταχύτητας. Αποδείχθηκε ότι το σκάφος

6 ακολουθούσε τις εντολές αλλαγής πορείας και έφτασε εύκολα την μέγιστη ταχύτητα των 44 knots, όπως ζητούσαν οι προδιαγραφές σχεδίασης. Στην Εικόνα 6β δίνονται τα δεδομένα τηλεμετρίας που αφορούν την ταχύτητα, από όπου επαληθεύεται η μέγιστη ταχύτητα των 84km/h ή 44 knots. Από τα δεδομένα της έρευνας αγοράς προκύπτει ότι τα σκάφη του ανταγωνισμού έχουν ταχύτητες κατά μέσο όρο 4kt με πλησιέστερα αυτά του Πίνακα 3. Επίσης, παρατηρείται ότι τα σκάφη κυμαίνονται από 3-17m και είναι ως επί το πλείστον μακρύτερα από 7m, άρα λιγότερο ευέλικτα. Όνομα USV Μήκος Βάρος Ταχύτητα Πρόωση 1 Protector 9m - 4kt Εσωλέμβια 2 Barracuda 11m - 36kt Εξωλέμβια 3 Roboski 2.7m 33Kg 42kt WaterJet Πίνακας 3. Σύγκριση τεχνικών χαρακτηριστικών σκαφών ανταγωνισμού. Km/h Telemetry data recordings / 2ms 4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Εικόνα 6. α) Πορεία και β) Ταχύτητα του σκάφους κατά την δοκιμή. Ο στόχος της ερευνητικής προσπάθειας που παρουσιάστηκε στην παρούσα δημοσίευση είναι η σχεδίαση, ανάπτυξη και κατασκευή ενός πρωτοτύπου αυτόνομου ρομποτικού σκάφους επιφανείας, το οποίο έχει υψηλή μέγιστη ταχύτητα, είναι κατάλληλο για πολλαπλές μη στρατιωτικές εφαρμογές και είναι χαμηλού κόστους. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές που τέθηκαν από εκτενή έρευνα αγοράς, προέκυψε ένα νέο σκάφος, το οποίο αποτελεί εμπορικό προϊόν. Η σχεδίαση του νέου πρωτότυπου σκάφους, αρχικά μελετήθηκε και στην συνέχεια δοκιμάστηκε σε πραγματικές συνθήκες και βρέθηκε να ανταποκρίνεται στις προδιαγραφές σχεδίασης. Κατά την διάρκεια της σχεδίασης ακολουθήθηκε μια διαδικασία βελτιστοποίησης που περιλαμβάνει τεχνικές γενετικών αλγορίθμών και ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων. Με την προτεινόμενη διαδικασία βέλτιστης σχεδίασης, προέκυψε ένα νέο σκάφος με σημαντικές καινοτομίες και εμπορικά πλεονεκτήματα τα οποία φαίνονται στον Πίνακα 4. ΚΑΙΝΟΤΟΜΙΕΣ Βέλτιστη σχεδίαση με γενετικούς αλγορίθμους Ανάλυση τάσεων με πεπερασμένα στοιχεία για βέλτιστη αντοχή και ελάχιστο βάρος ΕΜΠΟΡΙΚΑ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Ταχύτερο και πιο ευέλικτο σε σχέση με τον ανταγωνισμό. Σχεδίαση από εμπορικά διαθέσιμα εξαρτήματα, εύκολο στην μεταφορά, στην αποθήκευση και στην χρήση. Μικρές απαιτήσεις συντήρησης. Πιθανοί αγοραστές στην παγκόσμια αγορά παρόμοιων σκαφών. Πίνακας 4. Καινοτομίες και εμπορικά πλεονεκτήματα του νέου μη επανρδωμένου σκάφους επιφανείας ΚΡΗΣΑΛΟΣ.

7 5 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ American Bureau of Shipping (21), Guide for Building and Classing High-Speed Crafts. American Bureau of Shipping (23), Guidance Notes on Dynamic Load Approach and Direct Analysis for High Speed Craft. American Bureau of Shipping (24), SafeHull Finite Element Analysis of Hull Structures. Bertram V. (23), Cyber-ships Science Fiction and reality, 2nd Conf. Computer and IT Applications to the Maritime Industries (COMPIT), Hamburg, pp Calkins, D.E. (1983), An interactive computer-aided design synthesis program for recreational power boats, Transactions of SNAME, Vol. 91, pp Cooper S., Norton M. (22), New Paradigms in Boat Design: An Exploration into Unmanned Surface Vehicles, Int. Symp. Association for Unmanned Vehicle Systems. Ebken J., Bruch, M., Lum, J. (25), Applying UGV Technologies to Unmanned Surface Vessels, SPIE Proc. Unmanned Ground Vehicle Technology VII, Orlando, USA. Lahtiharju, E., Karppinen, T., Hellevaara, M., Aitta, T. (1991), Resistance and Seekeeping characteristics of fast transom stern hulls with systematically varied form, Transactions of SNAME, Vol. 99, pp Moire Incorporated Technical Report (23), Overview of the US Market for Unmanned Surface Vehicles (USV). Portmann H., S. Cooper, M. Norton, D. Newborn (22), Unmanned Surface Vehicles: Past, Present and Future, Unmanned Systems, Vol. 2, No. 5, pp Savitsky, D. (1985), Planning Craft, Naval Engineers Journal, Special Edition, February. USA Department of Navy (27), The Navy Unmanned Surface Vehicle (USV) Master Plan.