Triff Kraken's Tentacle Autonomous LARS

Abbildung 1: Die erste Iteration des Tentacles ist für Krakens KATFISH ausgelegt. (Bild: Kraken)

Abbildung 2: Krakens Tentakel Intelligente Winde (Bild: Kraken)

Abbildung 3: Beispielanzeige (Bild: Kraken)

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Von Elefantenrümpfen bis zu Oktopusbeinen ist die Natur reich an Tentakeln, die präzise manipuliert werden können.

Bei Kraken Robotics wollten wir sehen, was uns die Natur über bessere Manipulationsmethoden für das Starten und Bergen von Wasserfahrzeugen und -ausrüstung beibringen könnte. Inspiriert von den ausgeklügelten Rückkopplungsschleifen und dynamischen Reaktionszeiten, die in Lebewesen wie Elefanten, Tintenfischen und Quallen vorkommen - und sogar gelegentlich fleischfressende Pflanzen - haben wir ein 18-monatiges Forschungs- und Entwicklungsprogramm für biomimetisches Design entwickelt.

Das Ein- oder Aussteigen aus dem Wasser ist bei weitem die risikoreichste Operation für jedes ozeanographische Gerät. Es beinhaltet mehrere dynamische Komponenten, die von Wellenhöhen, Schiffsbewegungen, Windrichtung und -strömen beeinflusst werden. Da die Ausrüstung heikel und kostspielig ist, muss während des Starts und der Wiederherstellung große Sorgfalt walten.

Krakens Handling Systems Group mit Sitz in Dartmouth, Nova Scotia, leitete das F & E-Programm. Die Lektionen, die wir gelernt haben, und das Wissen, das wir erworben haben, gipfelten in der Entwicklung des Kraken Tentacle Autonomous Launch and Recovery Systems (ALARS).

Der Kraken-Tentakel ist kein spezifisches System. Es handelt sich um eine Familie von Technologien, die für die Implementierung modularer, skalierbarer Start- und Wiederherstellungslösungen für eine Vielzahl von angebundenen und ungebundenen Unterwasserfahrzeugen eingesetzt werden. Die erste Iteration des Tentacles ist für Krakens KATFISH (Abb. 1) aktiv stabilisiertes gezogenes Fahrzeug ausgelegt, dessen Hauptnutzlast Krakens AquaPix Synthetic Aperture Sonar ist. Zukünftige Versionen werden auch andere Fahrzeuge aufnehmen. Nach dem Abschluss der letzten Tests erwarten wir, das Tentacle im August 2018 zu starten

Durch die Entwicklung eines integrierten Sensors, einer integrierten Plattform und von LARS im eigenen Haus bieten wir ein voll funktionsfähiges, zuverlässiges Paket, das von einem einzigen Anbieter unterstützt wird und nur Strom vom Host-Schiff benötigt.

Tentakel-intelligente Winde
Konstrukteure von Handhabungssystemen gehen oft zu externen Herstellern für die Winde und integrieren sie dann in ihr Start- und Wiederherstellungssystem. Zu Beginn der Forschung für den Tentacle haben wir erkannt, dass die Winde das Herzstück des Systems sein sollte, mit dem Potenzial, weit mehr als nur Kabelauszahlung und -aufrollung zu bieten. Als Hauptantrieb im Start- und Wiederherstellungsprozess ist die Winde könnte entworfen werden, um Schiffsbewegung und Fahrzeugbewegung signifikant zu kompensieren.

Wie sein Namensvetter in der Natur mag die Tentacle Intelligent Winch von außen unscheinbar aussehen, aber ihre wahren Fähigkeiten liegen darin. Das voll integrierte elektronische Steuermodul beherbergt ausgeklügelte Algorithmen zur dynamischen manuellen, halbautonomen oder vollständig autonomen Steuerung der Winde. Die integrierte Bewegungsreferenzeinheit verfolgt die Bewegung des Gastschiffs und die ausgefeilten Onboard-Softwaremodelle und sagt den Seegang voraus. Dies ermöglicht es der Winde, das Timing von Wellenbergen und Wellentälern vorherzusagen und das variable Drehmoment an dem Motor zu optimieren, um Eingabestörungen durch das Schleppkabel zu minimieren.

Der Bediener kann die manuelle Steuerung der Tentacle Winch entweder über manuelle Schaltereingänge erreichen, die denen in herkömmlichen Systemen ähneln, oder per Fernzugriff über sichere Ethernet- und Wi-Fi-Schnittstellen. Ein semi-autonomer Modus ermöglicht eine dynamische Stoß- (Vor / Zurück-Bewegung) und Hub-Kompensation (Aufwärts / Abwärts-Bewegung), um Eingangsstörungen am Zugkabel selbst auf hoher See zu minimieren. Ein vollständig autonomer Modus erlaubt dem KATFISH-Schleppkörper, die Winde zu steuern. Wenn die Wassertiefe steigt oder sinkt, kann der KATFISH die Tiefe autonom messen und die Winde zum Einholen oder Auszahlen anweisen. Dies ermöglicht eine erhöhte Sicherheit und ermöglicht vollautomatische Bodenvermeidungsmanöver auch in dynamischen Umgebungen.

Die Tentacle Winch ist so konzipiert, dass sie intelligent und robust ist. Es erfüllt die militärischen Schock- und Vibrationsanforderungen von MIL-STD 901D sowie die strengen internationalen Standards von Lloyd's Register und DNV-GL. Es ist ein vollelektrisches System, das verbesserte Reaktionszeiten bietet und die Notwendigkeit von sekundären Hydraulikaggregaten überflüssig macht. Und es kann in eine breite Palette von Schiffen integriert werden, von kleinen unbemannten Überwasserschiffen bis hin zu großen Offshore-Hilfsschiffen.

Konditionierte Reflexe
In der Natur hören wir oft Hinweise auf Reflexe und Muskelerinnerungen von Lebewesen, einschließlich Menschen. Reflexe können im weitesten Sinne als eine Handlung oder Handlungen definiert werden, die auftritt, bevor das Gehirn sich der Stimuli bewusst ist, und in zwei Kategorien unterteilt ist; Rückzugsreflexe und bedingte Reflexe. In diesem Artikel werden wir uns auf Letzteres konzentrieren.

Konditionierte Reflexe, allgemein als "Muskelgedächtnis" bezeichnet, sind Reflexe, die als Ergebnis von Erfahrung erworben wurden. Im Falle von Menschen ist ein Beispiel das Fangen eines Balles; Als Kind wird uns diese einfache Handlung des Werfens und Fangens durch Spiel beigebracht. Wenn ein Mensch als Erwachsener einen Ball wirft, wird er instinktiv versuchen, ihn zu fangen, bevor er auf den Boden fällt, und Reflexe sorgen dafür, dass die ausgleichenden Muskeln angespannt werden und winzige Anpassungen vorgenommen werden, um das erwartete Gewicht des Balls auszugleichen .

Um unsere Analogie in den Bereich der Schiffsausrüstung zurückzubringen, vergleichen wir einen menschlichen Bediener einer standardmäßigen hydraulischen Winde oder LARS. Ein junger Matrose erfordert sehr wahrscheinlich umfangreiche Ausbildung und Zeit auf See, um die Dynamik der Schiffe und die Wechselwirkungen mit dem Ozean zu verstehen. Im Gegensatz dazu hat sich ein erfahrener Segler mit langjähriger Erfahrung "trainiert", um die Bewegung des Schiffes, die Wellenbedingungen, den Zeitpunkt des Starts oder der Erholung der Ausrüstung mit der Wellen- und Wellenperiode zu überwachen, oft ohne darüber nachzudenken es. Diese Erfahrung kann mit einem bedingten Reflex verglichen werden, in dem der Mensch viele Handlungen so schnell ausführt, dass sie ohne bewussten Gedanken ausgeführt werden.

Genau diese biologisch bedingten Reflexe wollten wir im Entwurf der Tentakelwinde nachahmen und in das Tentakel-Kontrollsystem integrieren.

Bewegungskompensation
Das Hauptziel der Tentacle Winde ist es, den Leistungsumfang von Start, Abschleppen und Bergen einer Sensorplattform wie dem KATFISH-System zu erhöhen. Dies wird erreicht, indem die Kopplung unerwünschter Oberflächenbewegungen des Schiffs in die geschleppte Sensorplattform reduziert wird, was zur Aufrechterhaltung der Stabilität und Sicherheit der geschleppten Plattform unerlässlich ist. Bewegungskompensationssysteme, die zur Entkopplung von Gefäßbewegungen ausgelegt sind, können entweder passiv oder aktiv gesteuert werden. Obwohl passive Systeme typischerweise einfacher sind, sind sie hinsichtlich der Frequenz und Größe der Bewegung begrenzt, die sie entkoppeln können und können Resonanzprobleme aufgrund der natürlichen Eigenfrequenz des passiven Dämpfungssystems (wie in einem Federdämpfer) verursachen. Glücklicherweise werden aktive Systeme mit Fortschritten in der Steuerungssystemtechnologie viel weniger komplex und weniger teuer.

Die meisten aktiven Systeme kompensieren die Hubbewegung. Bei Schiffen mit kleinen Oberflächen wie USVs kann die Stoßbewegung jedoch ein wichtiger Faktor sein, insbesondere wenn die Spur - der Abstand hinter dem Zugfahrzeug - hoch ist im Vergleich zur Tiefe des geschleppten Körpers. Aus diesem Grund haben wir das Kraken-System entwickelt, um sowohl Stöße als auch Stöße auszugleichen.

Die drei üblichen Arten von Bewegungskompensationssystemen bestimmen die Bewegung basierend auf der Position der Seilscheibe auf dem Schiff:

• Ein fliegendes Scheibensystem besteht aus einer Scheibe, die auf einer Linearbewegungsvorrichtung wie einem Hydraulikzylinder montiert ist. Das Kabel wird um 180 Grad um diese Scheibe gewickelt und der Zylinder bewegt sich hinein und heraus, wodurch die Kabellänge effektiv verändert wird, um die Bewegung des Behälters auszugleichen.
• Ein nickendes Auslegersystem weist eine Seilscheibe auf, über die das Seil verläuft, die am Ende eines Auslegers angebracht ist, der zum Ausgleich der Schiffsbewegung auf und ab bewegt wird.
• Ein Windenantriebssystem nimmt die Bewegungsinformation und gibt dann das Kabel aus oder wickelt es auf, um die berechnete Hub- und Stoßbewegung zu kompensieren.

Der Tentacle ALARS verwendet ein Winde-Antriebssystem aufgrund der gesamten Raumeffizienz und uneingeschränkter Größenanpassung aufgrund der großen Kabellänge.

Tentakel-Kontrollsystem
Das Tentakel-Kontrollsystem innerhalb des ALARS ist sowohl das Gehirn als auch das Nervensystem, es erfasst Stimuli, verarbeitet Rückkopplungen und generiert automatisch Aktionen. Es besteht aus zwei Komponenten, die im Tandem arbeiten; das untergeordnete (unbewusste) Kontrollsystem und das (bewusste) hochrangige Kontrollsystem. Das Low-Level-Kontrollsystem ähnelt den konditionierten Reflexen, die in der Natur und beim Menschen beobachtet werden, überwacht Sensorreize und reagiert fast sofort ohne bewusste Gedanken. Vier Hauptmerkmale des Low-Level-Steuerungssystems sind seine aktive Bewegungskompensation, aktive Geländefolge, konstante Spannung und Auto-Rendering. Das Active Motion Compensation (AMC) -Modul ist das Hauptmerkmal, das die Kraken-Tentakelwinde trennt. Unter Verwendung einer Reihe von proprietären Motion-Tracking- und Motion-Prediction-Algorithmen verfolgt das AMC-System kontinuierlich die Bewegung (Geschwindigkeit, Orientierung, Position) des Host-Schiffes und die Bewegung (Geschwindigkeit, Orientierung, Position) des KATFISH und berechnet die notwendige Geschwindigkeit und Drehmoment muss auf die Winde und das Zugkabel angewendet werden, um die Schiffsbewegungen zu kompensieren. Das AMC-Modul arbeitet autonom, ohne menschliche Interaktion oder bewusstes Denken, und entkoppelt effektiv die Bewegung des Gastschiffes vom KATFISH, wodurch der Betriebsbereich des KATFISH-Systems drastisch vergrößert wird.

Das Active Terrain Following (ATF) -Modul ermöglicht dem KATFISH, die Winde zu steuern. In diesem Fall erkennt der KATFISH, dass der Meeresboden steigt oder fällt und gibt einen Befehl an das ATF-Modul aus, den Kabelbereich automatisch anzupassen, damit der KATFISH dem Gelände aktiv folgen kann. Die Geschwindigkeit der Kabelaus- oder -aufrollung wird überwacht und eingestellt, und bei Notfallsituationen, wie der Bodenvermeidung, kann das Kabel mit hoher Geschwindigkeit eingezogen werden.

Das Constant Tension (CT) -Modul soll, wie der Name schon sagt, eine konstante spezifizierte Spannung am Schleppkabel aufrechterhalten. Dies wird auf der Grundlage der Rückkopplung von dem Drehmomentsensor in dem Motor berechnet und ist sehr effektiv bei der Eliminierung von plötzlichen Spannungsimpulsen an dem Zugkabel aufgrund von Wellen oder kleinen Überspannungen. Dieses Modul ermöglicht der Winde auch, den KATFISH während des Starts und der Erholung im Docking-Kopf zu halten, ohne dass ein zusätzlicher Fangmechanismus erforderlich ist.

Das Auto Render (AR) -Modul bietet eine ausfallsichere Funktion, mit der das System Kabel automatisch auszahlen kann, wenn die Schlepplast einen voreingestellten Schwellenwert überschreitet. Im schlimmsten Fall, dass der Schleppkörper auf den Meeresboden aufprallt oder sich an anderen Schiffsausrüstung verfängt, kann diese Seilauszahlung dazu beitragen, den Schleppkörper zu "befreien" und das Risiko einer Beschädigung des Schleppkörpers zu minimieren, während das Risiko eines Kabelbruchs ausgeschlossen wird.

Das High-Level-Kontrollsystem ist mit den bewussten Aktionen eines menschlichen Bedieners verwandt und ermöglicht die Steuerung des Starts, der Bereitstellung und der Wiederherstellung als vollständig manuell, entfernt oder autonom. Wir haben das Steuerungssystem so konzipiert, dass es flexibel ist und Ethernet- und Wi-Fi-Verbindungen verwendet, so dass das gesamte System problemlos in andere Bordsysteme integriert werden kann. Das übergeordnete Steuerungssystem besteht aus einem Bedienfeld, einer elektrischen Schalttafel, Winden- und Stellantriebsmotoren sowie einer Vielzahl von Endschaltern und Sensoren, um den Bewegungsbereich zu begrenzen und den korrekten Start und die korrekte Wiederherstellung des KATFISH zu erkennen. Das Bedienfeld besteht aus einem Touchscreen, manuellen Bedienelementen und Anzeigen. Der Touchscreen (der unter realen Wetterbedingungen mit Handschuhen verwendet werden kann) stellt dem Bediener aktuelle und historische Betriebsdaten, die Konfiguration von Betriebsparametern sowie Warnungen und Warnungen zur Verfügung. Der Status der autonomen Steuerungen wird kontinuierlich überwacht und Echtzeit-Informationen werden über die Ethernet- und Wi-Fi-Schnittstellen übertragen. Bediener können den Betriebszustand drahtlos überwachen und wichtige Daten wie Kabelrichtung, Umfang und Geschwindigkeit sowie kritische Parameter wie Motortemperatur und Kabellast einsehen.

Sicherheitsvorrichtungen
Sicherheit steht bei allen Meeresoperationen an erster Stelle, und Kraken hat sich dies im Design des Tentacle zu Herzen genommen. Obwohl viele Kreaturen abgeschlagene Gliedmaßen überleben und nachwachsen können, gehören die Menschen nicht dazu. Die Tentacle Winch umfasst eine Vielzahl von autonomen Steuereinheiten und intelligenten Modulen, die alle die Sicherheit des menschlichen Bedieners und aller anderen Deckpersonal vor allem anderen Priorität geben.

Wir haben sichergestellt, dass die Sicherheitsfunktionen klar und einfach zu bedienen sind. Jedes Bedienfeld verfügt über einen Not-Aus-Schalter (E-Stop); Das Bedienfeld verfügt über einen zusätzlichen Not-Aus-Schalter, der an einer fliegenden Leitung angeschlossen werden kann. Wenn der Not-Halt gedrückt wird, stoppt das System sofort den Motorbetrieb und unterbricht die Stromversorgung der Motoren. Eine Vielzahl von Warnungen auf dem Bedienfeld warnt den Benutzer außerdem vor Parametern, die voreingestellte Betriebsschwellen überschreiten. Ein beweglicher Lichtstack mit akustischem Signalgeber zeigt optisch und akustisch den Betriebszustand an.

Obwohl das Tentacle Control System nicht so schnell ist wie die Neuronen, die in Rückzugsreflexen in der Natur verwendet werden, enthält es einen Echtzeitprozessor und ein FPGA (Field-Programmable Gate Array) für nahezu unmittelbare und deterministische Sicherheitsreaktionen, die direkt in Hardware verarbeitet werden. Dies stellt sicher, dass alle Sicherheitsfunktionen und Sicherheitsvorrichtungen sofort reagieren, unabhängig vom Betriebszustand des Tentacles

Zukünftige Entwicklung
Wir glauben, dass das Tentacle Autonomous Launch and Recovery System und die Intelligent Winch Technologie eine hervorragende Plattform für die weitere Entwicklung darstellt. Es ist eine vielseitige Kombination von Schlüsseltechnologien, und jede dieser Technologien ist für größere (oder kleinere) Anwendungen grundsätzlich skalierbar.

In dem Bemühen, die Erinnerung an einen typischen Menschen nachzuahmen, speichert der Onboard-Speicher der Tentacle Winch alle Bewegungsdaten im System und alle signifikanten Bewegungsereignisse (Übertemperatur, übermäßiges Drehmoment, Überspannung usw.). Diese Daten können verwendet werden Automatische Anpassung der Module des Steuerungssystems durch maschinelle Lerntechniken, Verbesserung der Reaktionszeiten und der Gesamtleistung, wodurch die Reflexe des Tentacle weiter verbessert werden.

Ein Beispiel für eine zukünftige Anwendung, die in Betracht gezogen wird, sind Versorgungsschiffe und andere Schiffe, bei denen Relativbewegungsprobleme auftreten. Diese Schiffe würden stark profitieren, wenn das Bewegungskompensationssystem durch Bewegungsdaten von einer schwimmenden Zielplattform erweitert würde. Das System könnte dann die relative Bewegung zwischen dem Host-Fahrzeug und der Zielplattform bestimmen und die Kabellänge so einstellen, dass das Ziel keine relative Bewegung zwischen dem Kabelende und der Plattform sehen würde. Wenn fortschrittlichere Bewegungssteuertechnologien verfügbar werden, können sie leicht in das Tentacle-System integriert werden. Wie sein Namensvetter in der Natur ist das System stark und flexibel.

Breite: 1.330 mm
Tiefe: 1.380 mm
Höhe: 1.550 mm
Gewicht: 12 kN
Kabelaußendurchmesser: 8-12 mm
Kabelkapazität: 2.000 m
Ziehen: 15 kN
Leistung: 440 3Ø

Der Autor
David Shea ist Vizepräsident der Technik, Kraken Robotic Systems Inc.

(Wie in der Juni 2018 Ausgabe von Marine Technology Reporter veröffentlicht )