AUV docking: Το επόμενο βήμα για την αυτονομία

AUV docking: Το επόμενο βήμα για την αυτονομία D.Grosset (JRC, European Commission, daniel.grosset@jrc.it) P.Sotiropoulos (JRC, European Commission, panagiotis.sotiropoulos@jrc.it) Περίληψη Η ανάπτυξη των AUV (Αυτόνομα Υποβρύχια Οχήματα) τα τελευταία χρόνια έχει δώσει έναν εναλλακτικό τρόπο για υποθαλάσσιες έρευνες. Αυτά τα οχήματα ελεύθερα από οποιαδήποτε σύνδεση με την επιφάνεια, μπορούν να επιχειρήσουν σχεδόν σε κάθε περιβάλλον και έτσι αποτελούν την πρώτη επιλογή για πολλές υποθαλάσσιες εφαρμογές σήμερα. Ο κύριος περιορισμός τους είναι η διάρκεια ζωής της μπαταρίας τους. Υποθαλάσσιοι σταθμοί και τεχνικές προσέγγισης και πρόσδεσης σε αυτούς αναπτύσσονται σήμερα για να λύσουν αυτό το πρόβλημα. Τα AUV θα έχουν την δυνατότητα να σταθμεύουν, να φορτίζουν τις μπαταρίες τους, να μεταφέρουν τα δεδομένα που έχουν συλλέξει και να παίρνουν νέες οδηγίες για καινούργιες αποστολές, έτσι ώστε να μπορούν να λειτουργήσουν, κυριολεκτικά κάτω από οποιεσδήποτε καιρικές συνθήκες. Στην παρούσα εργασία, προτείνουμε δύο νέες ιδέες για μηχανισμούς πρόσδεσης AUV. Εισαγωγή Τα AUV χρησιμοποιούνται πλέον ευρέως για έρευνα από την επιστημονική κοινότητα και από ιδιωτικούς φορείς. Έχοντας αναπτυχθεί αρχικά από στρατιωτικούς οργανισμούς τη δεκαετία του 1980 για αντίστοιχες εφαρμογές, εξελίχθηκαν σε ένα σημαντικό εργαλείο για ένα μεγάλο πλήθος υποθαλάσσιων εφαρμογών. Δειγματοληψία, ωκεανογραφία, αποτύπωση του βυθού, έλεγχος υποθαλάσσιων συστημάτων, ανίχνευση και εξουδετέρωση ναρκών είναι μερικές μόνο από τις πολλές εφαρμογές [1]. Τα AUV γίνονται πιο απλά, αποκτούν μεγαλύτερο επιχειρησιακό εύρος λειτουργίας και αποτελούν μία χαμηλού κόστους λύση για την θαλάσσια έρευνα. Οι αποστολές που σήμερα πραγματοποιούνται με τη βοήθεια των AUV, εκτελούνταν από ROV ή tow fish (συστήματα αισθητήρων και σόναρ που ρυμουλκούνται από ερευνητικά πλοία). Τα αυτόνομα οχήματα παρέχουν πλέον μια ταχύτερη και πιο σταθερή πλατφόρμα για αισθητήρες βελτιώνοντας παράλληλα, κατά πολύ, την ποιότητα των μετρήσεων. Επίσης η χρήση των AUV περιορίζει αισθητά τη διάρκεια της αποστολής καθώς, το μέγεθος του πλοίου υποστήριξης και το εξειδικευμένο προσωπικό που απαιτείται, μειώνοντας αντίστοιχα και το όλο κόστος της αποστολής. Τα AUV ελεύθερα από καλώδιο σύνδεσης με το πλοίο υποστήριξης μπορούν να επιχειρήσουν κυριολεκτικά σε κάθε περιβάλλον. Ουσιαστικά ο μόνος περιορισμός που έχουν είναι η περιορισμένη δυνατότητα αποθήκευσης δεδομένων και ενέργειας. Υποθαλάσσιοι σταθμοί και τεχνικές για πρόσδεση (docking) των AUV σε αυτούς, αναπτύσσονται σήμερα για να λύσουν αυτά τα προβλήματα, επιτρέποντας παράλληλα στα AUV να επιχειρούν μόνιμα και κάτω από οποιεσδήποτε καιρικές συνθήκες. Οι πιθανές εφαρμογές αυτών των σταθμών εκτείνονται από τον έλεγχο των λιμανιών έως την παρακολούθηση σεισμικών δονήσεων και επικίνδυνων καιρικών φαινομένων, όπως κυκλώνες, σε απόμακρες ή επικίνδυνες περιοχές. Παρόλο που η ιδέα για έναν λειτουργικό υποθαλάσσιο σταθμό είναι ακόμα 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Ρομποτικής, ΤΕΕ, Αθήνα, 23-24 Φεβρουαρίου, 2009 1

αντικείμενο έρευνας, ορισμένα ενδιαφέροντα πρωτότυπα έχουν ήδη αποδείξει τη λειτουργικότητα τους. Αυτοί οι σταθμοί αν και διαφέρουν αρκετά ως προς την προσέγγιση συμπεριλαμβάνουν δύο κύρια σημεία: ένα σύστημα οδήγησης που βοηθάει το AUV να βρει τον σταθμό και ένα σύστημα να δέσει ασφαλώς και μόνιμα στον σταθμό. Έρευνα πάνω στις τεχνικές πρόσδεσης Προσέγγιση Η προσέγγιση είναι το μέρος της αποστολής όπου το AUV πρώτα εντοπίζει και έπειτα προσεγγίζει τον σταθμό (ή έναν υποθαλάσσιο πίνακα ελέγχου). Αρκετές τεχνικές έχουν εφαρμοσθεί για να επιτύχουν μία καλή προσέγγιση χρησιμοποιώντας είτε όραση (χρήση κάμερας για αναγνώριση της δομής ή εντοπισμό φωτεινών οδηγών ή ακόμα αναγνώριση ειδικών σημαδιών πάνω στον σταθμό), είτε ήχο (sonar, LBL, USBL) είτε ακόμα και ηλεκτρομαγνητική οδήγηση. Πρόσδεση Η πρόσδεση είναι το τελευταίο κομμάτι της αποστολής όπου το AUV είναι περίπου 1-2m από το σημείο πρόσδεσης. Παρόμοιες μέθοδοι όπως και στην προσέγγιση χρησιμοποιούνται, αλλά η ακρίβεια που απαιτείται είναι αρκετά μεγαλύτερη (μόλις μερικά εκατοστά). Συγκεκριμένα τεχνικές όπως: οπτική οδήγηση [1], υψηλής ακρίβειας νευρωνικά δίκτυα και fuzzy logic controllers, χρησιμοποιούνται σήμερα για την πρόσδεση των AUV. Σταθμοί πρόσδεσης Μπορούμε να αναγνωρίσουμε δύο περιοχές στην πρόσδεση των AUV λόγω των διαφορετικών τύπων AUV που υπάρχουν. Η πρώτη περιοχή αφορά τα AUV που χρησιμοποιούνται για έρευνα (συνήθως σε σχήμα τορπίλης) και η δεύτερη αυτά που χρησιμοποιούνται για να εκτελούν υποθαλάσσιες εργασίες (I-AUV). i. Πρόσδεση ενός AUV για έρευνα Υπάρχουν τρείς κύριες προσεγγίσεις: το τούνελ/κλωβός, το καλώδιο με άγκιστρο και ο πόλος. Τα μειονεκτήματα και τα πλεονεκτήματα κάθε ενός από τα παραπάνω συστήματα παραθέτουμε στη συνέχεια. Πρόσδεση σε πόλο Η δομή του πόλου αναπτύχθηκε από το Woods Hole Oceanographic Institute. Το κύριο πλεονέκτημα της είναι ότι επιτρέπει στο όχημα να προσεγγίσει τον σταθμό από διάφορες κατευθύνσεις επιτρέποντας παράλληλα μεγάλο κάθετο εύρος. Ιδιαίτερα συμβατό με τα μη-ολονομικά AUV σε σχήμα τορπίλης. Το μειονέκτημα αυτής της λύσης είναι το περίπλοκα κινούμενα μέρη του σταθμού και η ανάγκη για εξειδικευμένο AUV, αφού απαιτείται ειδική συσκευή πρόσδεσης στο μπροστά μέρος του οχήματος που θα πρέπει να έχει προβλεφθεί από το αρχικό στάδιο του σχεδιασμού του. Πρόσδεση σε σταθμό τούνελ Η δομή του σταθμού τούνελ αναπτύχθηκε σε διάφορα ερευνητικά προγράμματα (Eurodocker, REMUS) παράλληλα με ένα εξειδικευμένο AUV. Η ιδέα του τούνελ δεν είναι ακριβώς ευπροσάρμοστη καθώς απαιτεί ένα ειδικά σχεδιασμένο όχημα. Το κύριο 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Ρομποτικής, ΤΕΕ, Αθήνα, 23-24 Φεβρουαρίου, 2009 2

πλεονέκτημα του τούνελ είναι ότι προσφέρει αρκετά καλή μηχανική οδήγηση κατά το τελευταίο στάδιο προσέγγισης του AUV. Επίσης προσφέρει σταθερή και συγκεκριμένη θέση πρόσδεσης μόλις έχει ολοκληρωθεί η διαδικασίαs, που επιτρέπει μεταφορά δεδομένων και ενέργειας. Πρόσδεση με άγκιστρο Δύο διαφορετικέ προσεγγίσεις για πρόσδεση με άγκιστρο έχουν αναπτυχθεί, η Kawasaki marine bird και η FAU explorer. Μια ενδιαφέρουσα προοπτική αυτή της λύσης είναι η δυνατότητα ευρείας χρήσης της καθώς δεν απαιτεί κάποια ειδική μορφή ή πολύπλοκα συνδετικά μέρη από το όχημα. Το μειονέκτημα της λύσης του marine bird είναι ότι απαιτεί καλή ικανότητα πλοήγησης από πλευράς του οχήματος και ένα ειδικό άγκιστρο στο κάτω μέρος του οχήματος, προσφέρει όμως αρκετά καλή διόρθωση πορείας και συγκεκριμένη θέση πρόσδεσης. Η λύση του FAU explorer επιτρέπει ακόμα μεγαλύτερη ευελιξία. Το μειονέκτημα της προσέγγισης FAU είναι ότι έχει περίπλοκα κινούμενα μέρη στον σταθμό. Παρόλα αυτά επιτρέπει προσέγγιση από διάφορες κατευθύνσεις, καλή διόρθωση πορείας και συγκεκριμένη θέση πρόσδεσης χωρίς να απαιτεί κάποιο ειδικό μέγεθος ή σχήμα από το AUV. ii. Πρόσδεση για I-AUV Τα αυτόνομα οχήματα είναι πλέον πολύ κοντά στο να εκτελούν διάφορες υποθαλάσσιες εργασίες. Το συνεχώς αυξανόμενο κόστος της υποθαλάσσιας εξόρυξης και η αξιοπιστία που προσφέρουν πλέον τα AUV ωθούν τα ROV και τους ενδιαφερόμενους για υποβρύχιες εγκαταστάσεις να εντάξουν περισσότερα αυτόνομα στοιχεία στις λειτουργίες τους [13]. Αυτή η εξέλιξη μαζί με την ανάπτυξη υποθαλάσσιων σταθμών για survey AUV βοηθούν στην έρευνα για σταθμούς πρόσδεσης για I-AUV [14]. Μέχρι σήμερα ορισμένα ενδιαφέροντα πρωτότυπα έχουν ήδη αποδείξει τις λειτουργικές τους ικανότητες ακολουθώντας δύο διαφορετικές φιλοσοφίες. Η πρώτη τοποθετεί τον σταθμό κοντά στην περιοχή των εργασιών. Το AUV προσδένεται, ακολουθεί σύνδεση με τον σταθμό (μέσω καλωδίου) και έπειτα λειτουργεί ως ένα τηλεχειριζόμενο όχημα όπως τα κοινά ROV. Η δεύτερη προσέγγιση τοποθετεί το σημείο πρόσδεσης του AUV απευθείας πάνω στην ήδη υπάρχουσα πλατφόρμα ελέγχου από όπου, αφού προσδεθεί, μπορεί να εκτελέσει αυτόνομα βασικές εργασίες. Πρόσδεση σε κλωβό Εικόνα 1: Swimmer [15] Ο κλωβός πρόσδεσης έχει αναπτυχθεί από την Cybernetix. Σε αυτή την περίπτωση το AUV μπορεί να θεωρηθεί και ως μεταφορέας για ROV. Το AUV αφού προσδεθεί συνδέεται μέσω του ήδη υπάρχοντος συνδέσμου για μεταφορά ενέργειας και δεδομένων. Έπειτα το ROV που μεταφέρει το Swimmer όντας απευθείας συνδεδεμένο μέσω του AUV μπορεί τηλεχειριζόμενο να εκτελέσει εργασίες στην περιοχή. Όσο αφορά τη λύση του τούνελ για τορπιλοειδή AUV απαιτείται παράλληλη ανάπτυξη ενός νέου εξειδικευμένου AUV. Στα μειονεκτήματα αυτής της λύσης εντάσσεται η σύνδεση του 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Ρομποτικής, ΤΕΕ, Αθήνα, 23-24 Φεβρουαρίου, 2009 3

κλωβού με την επιφάνεια για μεταφορά δεδομένων και ενέργειας, που περιορίζει τη χρήση της σε περιοχές που βρίσκονται σε μεγάλα βάθη. Υπάρχουσες Πλατφόρμες Ελέγχου Εικόνα 2: ALIVe Docking concept [16] Οι ήδη υπάρχουσες πλατφόρμες ελέγχου έχουν σχεδιαστεί για να χειρίζονται από ROV και δεν προσφέρονται για αυτόνομες εργασίες. Το πρόγραμμα ALIVe ανέπτυξε ένα AUV ικανό να δένει σε μια τέτοια πλατφόρμα. Το όχημα προσδενόταν χρησιμοποιώντας τις ήδη υπάρχουσες τυποποιημένες χειρολαβές της πλατφόρμας. Για να επιτευχθεί σχεδιάστηκαν Εικόνα 3: Αρπάγη πρόσδεσης ALIVe [17] ειδικές αρπάγες. Παράλληλα ένα δυναμικό σύστημα ικανό να σταθεροποιεί το όχημα σε απόσταση +/- 10cm μπροστά από την πλατφόρμα αναπτύχτηκε. Το πλεονέκτημα αυτής της λύσης ήταν ότι επέτρεπε την πρόσδεση σε κάθε πλατφόρμα εφοδιασμένη με τις τυποποιημένες χειρολαβές. Το μειονέκτημα της αντίστοιχα ήταν ότι απαιτούσε ένα αρκετά εξειδικευμένο τύπο οχήματος με πολύ καλό σύστημα σταθεροποίησης. Προτάσεις Παρακάτω παραθέτουμε δύο νέες ιδέες για πλατφόρμες ελέγχου φιλικές ως προς τα AUV. Οι προτεινόμενες πλατφόρμες ελέγχου θα πρέπει να βοηθούν την πρόσδεση AUV σε αυτές καθώς και να επιτρέπουν την πρόσδεση των ήδη υπαρχόντων ROV. Η εμπειρία που αποκτήθηκε από τη συμμετοχή μας σε προηγούμενα προγράμματα και η ανάλυση των ήδη υπαρχόντων σταθμών για υποβρύχια οχήματα ήταν οι οδηγοί μας σε αυτή τη σχεδιαστική διαδικασία. Συνοψίζοντας μπορούμε να ξεχωρίσουμε τέσσερα κύρια σημεία που λάβαμε υπόψη κατά τον σχεδιασμό: Ελαχιστοποίηση των κινούμενων μερών στην πλατφόρμα. Τυποποίηση, όχι σχεδίαση για εξειδικευμένο όχημα Όσο το δυνατών μικρότερες αλλαγές στα ήδη υπάρχοντα οχήματα Τα τούνελ προσφέρουν καλή μηχανική οδήγηση και σταθερή και προδιαγεγραμμένη θέση πρόσδεσης Βασισμένοι στις παραπάνω αρχές σχεδιάσαμε Εικόνα 4: Πλατφόρμα (α) δύο διαφορετικούς τύπους πλατφόρμας ελέγχου για τα διαφορετικά είδη AUV α) Πρόσδεση χρησιμοποιώντας βοηθητικούς κώνους για μηχανική οδήγηση Η πρώτη αυτή πρόταση αποτελείται από ένα ανεξάρτητο πάνελ που θα μπορεί να ενσωματωθεί στις ήδη υπάρχουσες πλατφόρμες. 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Ρομποτικής, ΤΕΕ, Αθήνα, 23-24 Φεβρουαρίου, 2009 4

Το πάνελ που προτείνουμε ενσωματώνει δύο μεταλλικούς κώνους [σημ.a στις Εικόνες 4 & 5] πάνω σε μία βάση στήριξης. Η μέση ακρίβεια που απαιτείται για να δέσει ένα AUV χρησιμοποιώντας έναν ή δύο τυποποιημένους μηχανισμούς πρόσδεσης [σημ.c στην Εικόνα 4] είναι από ένα έως μερικά εκατοστά. Χρησιμοποιώντας το πάνελ σκοπεύουμε να μειώσουμε την ακρίβεια που απαιτείται για να προσδεθεί το όχημα σε 20cm, δεδομένης της διαμέτρου των κώνων (50 cm). Η μηχανική οδήγηση θα επιτευχθεί με την εισαγωγή ενός ζεύγους μεταλλικών ράβδων [σημ.f στην Εικόνα 6] που θα οδηγούν το AUV στην κατάλληλη θέση πρόσδεσης ακολουθώντας το προφίλ των κώνων. Οι παραπάνω ράβδοι θα προσθέσουν επίσης στιβαρότητα και θα ελαχιστοποιήσουν την κίνηση του οχήματος κατά την εκτέλεση των εργασιών. Τέλος οι ράβδοι θα μπορούσαν να φιλοξενήσουν μηχανισμούς επαναφόρτισης και μεταφοράς δεδομένων. Το πλεονέκτημα αυτής της πρότασης είναι ότι μπορεί να προσαρμοστεί στις υπάρχουσες δομές χωρίς να επηρεάζει την προσβασιμότητα που ήδη έχουν. Τα αρχικά στοιχεία πρόσδεσης [σημ.b,c στις Εικόνες 4 & 5] δεν επηρεάζονται, έτσι τα ROV μπορούν ακόμα να δένουν και να εκτελούν εργασίες χωρίς πρόβλημα. Οι επιπλέον ράβδοι μπορούν να τοποθετηθούν και έπειτα να επαναπροσδιοριστούν τα υδροδυναμικά χαρακτηριστικά κάθε οχήματος. Εικόνα 5 : Πλατφόρμα (a) Εικόνα 6: Προσέγγιση του AUV (α) Αυτή η δομή μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μελλοντικούς σχεδιασμούς ΑUV και ROV για αυτόνομη πρόσδεση. β) Ελλειπτικός κώνος πάνω στην πλατφόρμα για μηχανική οδήγηση. Αυτή η δεύτερη προσέγγιση αφορά έναν νέο τύπο I-AUV που μοιάζει αρκετά στα ερευνητικά AUV. Αυτή η πρόταση αποτελείται από μία εντελώς νέα πλατφόρμα που ενσωματώνει έναν ελλειπτικό κώνο [σημ.a στην Εικόνα 7] έτσι ώστε να περισυλλέγει και να ευθυγραμμίζει το AUV, κρατώντας όμως στοιχεία όπως οι χειρολαβές για να επιτρέπει και στα ROV να δένουν σε αυτά. Η διαδικασία πρόσδεσης τελειώνει με το ασφαλές και σταθερό δέσιμο του AUV επιτρέποντας του να εκτελέσει τις προγραμματισμένες εργασίες. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση μηχανισμού που βρίσκεται στην πλώρη το οχήματος [σημ.d στην Εικόνα 8]. Η ιδέα αυτή είναι αρκετά φιλόδοξη μιας και απαιτεί ειδικό σχεδιασμό για το AUV ή ROV που θα προσδέσει αυτόνομα. Χωρίς να περιορίζει τη χρήση των ήδη υπαρχόντων ROV η πλατφόρμα αυτή δείχνει τον δρόμο για μία νέα προσέγγιση στα I-AUV. 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Ρομποτικής, ΤΕΕ, Αθήνα, 23-24 Φεβρουαρίου, 2009 5

Εικόνα 7: Πλατφόρμα (β) Εικόνα 8: Προσέγγιση του AUV (b) Σχέδια για το μέλλον Οι παραπάνω προτάσεις είναι βασισμένες στην εμπειρία μας πάνω στον συγκεκριμένο τομέα. Σκοπός μας είναι να επαληθεύσουμε τη και να βελτιώσουμε την λειτουργικότητα των προτεινόμενων λύσεων μέσα από προσομοιώσεις και πειράματα. Μέσα από τη διαδικασία του επανασχεδιασμού θα προσπαθήσουμε να μειώσουμε επιπλέον την ακρίβεια που απαιτείται μεταβάλλοντας την μορφή των κώνων και των ράβδων. Τέλος όλες οι σχεδιαστικές παράμετροι της μελλοντικής πλατφόρμας θα επανεξεταστούν για να είναι όσο το δυνατών εφαρμόσιμες σε κάθε περίπτωση και απαιτώντας το μικρότερο δυνατό αριθμό αλλαγών στα ήδη υπάρχοντα συστήματα. Ευχαριστίες Η προσπάθεια αυτή χρηματοδοτήθηκε από το πρόγραμμα FREESUBNET, αριθμός συμβολαίου MTRN-CT-2006-036186 Αναφορές [1] Cowen S. et al, Underwater docking of autonomous undersea vehicles using optical terminal guidance, Oceans 97 Marine Technology Society, Vol.2, pp.1143-47 [2] Doyle H., Making the oilfield ROV Autonomous: What will It Take? A virtual Forum Moderated, Diveweb Underwater Magazine, November/December 2000 [3] Docking for AUVs to standardize or not?, SUT, Docking Standardisation Workshop, Aberdeen, 21/nov/2002 [4].Evans J.C. et al, Docking Techniques and Evaluation Trials of the SWIMMER AUV: An Autonomous Deployement AUV for Workclass ROVs, IEEE. Oceans 2001, Vol.1, pp. 520-528 [5] Weiss P.et al, FreeSUB: Dynamic stabilization and docking for autonomous Underwater vehicles, 13thInternational Symposium on Unmanned Untethered Submersible Technology (UUST), 2003 [6] D.Grosset et al., Quasi-rigid Docking of AUV for Underwater Manipulations, Computer Science and Information Technologies CSIT 2002, Patras, Greece, September 2002 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Ρομποτικής, ΤΕΕ, Αθήνα, 23-24 Φεβρουαρίου, 2009 6