15/02/2024
Door Ad Spijkers
Een Duits ontwikkelingsconsortium bouwde twee onderwatervaartuigen met hybride communicatie voor opsporing en inspectie.
Een onderzoeksgroep uit Sleeswijk-Holstein heeft prototypes ontwikkeld van autonome onderwatervaartuigen (autonomous underwater vehicles ofwel AUV’s) die kunnen communiceren en samenwerken. De twee vaartuigen, met een massa van zo’n 50 kg wegen, vullen elkaar aan in hun mogelijkheden en kunnen gescheiden taken uitvoeren.
Het gezamenlijke project MAUS (Mobile Autonomous Underwater System) is onderdeel van het economische programma van de deelstaat. Behalve de Fachhochschule Kiel waren de Universität zu Lübeck, de Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), Emma Technologies in Schwedeneck (20 km noordelijk van Kiel) en SubCtech in Kiel bij het project betrokken.
Hans en Grietje
De toepassingsgebieden van autonome onderwatervoertuigen zijn divers. Ze detecteren afval- en munitieresten, bewaken onderwaterconstructies en inspecteren havenfaciliteiten. Maar traditionele AUV's zijn groot en duur in productie en onderhoud. Het zijn precies deze handicaps waarop het onderzoeks- en ontwikkelingsproject MAUS in Kiel zich heeft gericht.
De twee AUV’s zijn Hans en Grietje gedoopt. Ze hebben een massa van respectievelijk 46 kg en 50 kg en zijn zo’n 1,25 m lang, 56 cm breed en 40 cm hoog. "Onze kleine AUV’s maken een flexibeler gebruik mogelijk", aldus projectleider prof. dr. Ing. Sabah Badri-Höher (foto). "Ze kunnen gemakkelijker worden vervoerd. Er is geen kraan nodig aan boord van onderzoeksschepen om ze te water te laten."
De twee AUV's vullen elkaar qua capaciteiten goed aan. Hans is een zogeheten 'hover-voertuig', is uitgerust met korteafstandssensoren. Grietje wordt gekenmerkt door geoptimaliseerd vaarvermogen over lange afstanden. Wanneer dit vaartuig in gebruik is, beweegt het snel vooruit en gebruikt zijn akoestische sensoren om de omgeving te verkennen. Als Grietje tijdens het in kaart brengen een anomalie tegenkomt, rapporteert ze automatisch de positie ervan aan Hans en gaat vervolgens verder met het in kaart brengen. Hans gaat op pad om ter plaatse meer gedetailleerde metingen uit te voeren met de korteafstandssensoren en de anomalie te documenteren. Het sensorsysteem is ontworpen voor waterdieptes tot 200 m.
Communicatie
Om te kunnen samenwerken, moeten de twee AUV’s communiceren. Akoestische onderwatercommunicatie is de enige bekende technologie die een draadloos bereik van meer dan 100 m bereikt. De bandbreedte en daarmee de haalbare datasnelheid van akoestische modems is echter beperkt. Akoestische transmissie is moeilijk in ondiep water door de multipath-voortplanting.
Voor de AUV's zijn twee innovatieve korteafstandsmodems op basis van optische en magnetische datatransmissie ontwikkeld, geïmplementeerd en getest. In combinatie met een akoestisch modem kunnen voorheen onbereikbare communicatie- en navigatiemogelijkheden worden gerealiseerd. Het akoestische modem biedt een permanent communicatiekanaal met een bereik van ongeveer 1 km, terwijl de optische en magnetische modems snelle communicatie over korte afstanden tussen de onderwaterrobots mogelijk maken. De onderzoekers hielden rekening met het welzijn van zeedieren. Hans en Grietje communiceren in een frequentiebereik dat ze dieren niet kunnen waarnemen.
Software
Missies worden gepland en bestuurd op het land of op een onderzoeksschip met behulp van software, ontwikkeld aan de Universität zu Lübeck. De software is geïmplementeerd als een web-app en is toegankelijk via een browser op verschillende apparaten. De communicatie met de robots vindt plaats aan de oppervlakte via radio en onder water met behulp van akoestische modems.
Er kan onder meer gebruik worden gemaakt van een grafische gebruikersinterface. Onderzoekers kunnen op een zeekaart selecteren welke paden of gebieden moeten worden bevaren. Voor de gebieden ontwikkelde het deelproject in Lübeck nieuwe methoden voor automatische en geoptimaliseerde padgeneratie. Deze maken een volledige dekking van een gebied in de kortst mogelijke tijd mogelijk.
Om de missie uit te voeren, kan een eerder geplande missie worden gestart of gestopt, maar ook worden opgeslagen en geladen. De robots geven hun huidige positie weer op een kaart. Daarnaast is de visualisatie van sensordata zoals ladingstatus van de batterijen of watertemperatuur en geleidbaarheid mogelijk. Dit biedt een intuïtieve en eenvoudig uitbreidbare grafische gebruikersinterface voor de MAUS-robots, die ook kan worden overgedragen naar andere onderwaterrobots.
Gebruik
Gezien de uiteenlopende toepassingsgebieden kunnen de AUV’s worden aangevraagd door onderzoekers, de private sector en publieke instellingen. Het doel van het MAUS-project was om twee voertuigen te ontwerpen en ontwikkelen die in samenwerking autonoom taken in het water kunnen uitvoeren. De onderzoekers zijn nu op zoek naar samenwerkingspartners om Hans en Grietje in de praktijk te testen en hun werk daaraan voort te zetten.
Foto: Kim Kaufner