Unbemannte Fahrzeuge: 25 Jahre Meilensteine

Ein Hugin AUV wird gestartet (Courtesy Kongsberg)

SEAScout Mk2 UUV von QinetiQ North America auf der ANTX 2018 (mit freundlicher Genehmigung von QinetiQ North America)

Riptide-UUVs verwenden offene Architekturen, um Benutzer zu aktivieren (Courtesy Riptide)

Ein früher ASV-Prototyp (Courtesy J. Manley)

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Zu Beginn des Jahres 2019 feiert die Ocean Tech Community das 50-jährige Bestehen von Oceanology International, einer weltweiten Veranstaltung, in der die Werkzeuge und Technologien präsentiert werden, die in der maritimen Industrie, Wissenschaft und Verteidigung zum Einsatz kommen. In diesem rückblickenden Geist ist es aufschlussreich, auf die Geschichte der unbemannten maritimen Fahrzeuggemeinschaft (UMV) einzugehen. Während es bereits seit 1957 Berichte über Entwicklungen auf diesem Gebiet gibt, hat die moderne Zeit ihre Wurzeln bis in die frühen 1990er Jahre zurückverfolgt. Eine Schlüsselquelle für technologische Entwicklungen war das MIT Sea Grant Autonomous Underwater Vehicle (AUV) -Labor, das zahlreiche Fahrzeuge hervorbrachte, einen Branchenführer ins Leben rief und viele Ingenieure ausbildete, die das Feld auf der ganzen Welt prägen.

Die Entwicklung von AUVs (manchmal auch als UUVs bezeichnet) und autonomen Oberflächenfahrzeugen (ASVs), die manchmal bekannt sind, und USVs, zeigen sowohl technische als auch kommerzielle Einflüsse. Mit dem Ausreifen der Technologie haben auch die Anwendungen und die geschäftlichen Auswirkungen zugenommen.

AUVs dann
Anfang der 1990er Jahre arbeitete das MIT AUV Lab mit einer Fahrzeugserie, der Odyssey-Klasse. Diese hatten einen Durchmesser von ungefähr 21 Zoll und waren ungefähr 2 Meter lang. Sie waren so konzipiert, dass sie bis zu 6.000 Meter tief tauchen können, aber relativ günstig und einfach zu installieren sind. Diese Fahrzeuge unterstützten viele wissenschaftliche Missionen, einschließlich Untereisarbeit in der Arktis und Ozeanographie in der Antarktis. Ein von diesen Fahrzeugen unterstütztes Schlüsselprogramm, das vom Office of Naval Research (ONR) gesponsert wurde, wurde als Autonomous Ocean Sampling Network bezeichnet. Dies war der Pionier bei der Entwicklung von Docking-AUVs. In den ersten zehn Jahren des AUV Lab wurden auch Experimente zur Kartierung des Meeresbodens und zur Minensuche durchgeführt. Im Jahr 1997 wurde Bluefin Robotics gegründet, um diese Ideen in die Industrie zu überführen. Der erste von vielen kommerziellen AUV-Herstellern folgte.
Die Odyssey-Technologieentwicklungen berührten alle Bereiche. Die Kernentwicklungen im Bereich der unbemannten Fahrzeugsteuerung inspirierten die heutigen Software-Communities. Insbesondere die Mission Oriented Operating Suite (MOOS) wurde Anfang der 2000er Jahre im MIT AUV Lab eingeführt. Weitere technische Entwicklungen waren Experimente mit frühen akustischen Modems und Doppler-Velocity-Logs (DVLs). Auch Nutzlastsysteme wurden integriert und ausgewertet. Frühe digitale Side-Scan-Sonare waren ein wichtiger Schritt in Richtung der heutigen AUVs für Umfragen. Die erste Integration eines Sub-Bottom-Profiler in ein AUV wurde vom MIT AUV Lab in seinem ersten Jahrzehnt abgeschlossen.

Ein Odyssey-AUV, ausgestattet mit einem frühen AU-Untersetzer (Courtesy J. Manley) AUVs Today

AUVs gibt es in zahlreichen Formen und Größen. Technologien, die vor 25 Jahren unerreichbar waren, sind an der Tagesordnung. Das Hugin-Fahrzeug zählt heute zu den führenden Nutzfahrzeugen. Es ist ein Beispiel für die gesamte Community und bietet eine umfassende Palette an Nutzlastsensoren, einschließlich Side-Scan-Sonar, Sub-Bottom-Profiler, Multibeam-Echolot, Magnetometer und Kameras. Zu den auf Hugin vorgestellten neuen Nutzlasten gehören Sonar- und Laserscanner mit synthetischer Apertur. Die Navigationslösung für Hugin AUVs nutzt die Rohausgabe einer integrierten Inertial Measurement Unit (IMU), die mit anderen verfügbaren In-Situ-Sensoren gekoppelt ist, die mithilfe eines Kalman-Filters in Echtzeit verarbeitet werden. Dies sind alles wesentliche Verbesserungen gegenüber den ersten Odyssey-Fahrzeugen, die nur wenig mehr als einen Temperatursensor und gezählte Propellerumdrehungen für Unterwasser-Positionierungszwecke hatten.

Kommerziell bedienen Hugin und seine Konkurrenten zahlreiche Märkte. Militärkäufer verwenden AUVs für Minenjagd und physikalische Ozeanographie. Naturwissenschaftler suchen nach Schiffbrüchen und hydrothermalen Öffnungen. Der dynamischste kommerzielle Sektor für AUVs ist jedoch die Offshore-Energie. Sowohl Öl und Gas als auch erneuerbare Energien wie Offshore-Windkraftanlagen setzen AUVs für viele verschiedene Einsatzarten ein, von der Standortbestimmung und Inspektion bis zur Pipeline-Inspektion. Marine Hydrographie und pseudo-seismische 3D-Studien sowie archäologische Untersuchungen sind ebenfalls übliche kommerzielle Anwendungen. Heute wird die AUV-Umfrage nicht nur akzeptiert, sondern in vielen maritimen Anwendungen erwartet.

Mit der Umfrage, dass AUVs allgemein üblich sind, umfasst die entstehende Grenze für AUVs neuartige Konzepte, die durch moderne Elektronik, Design und Fertigungstechniken ermöglicht werden. In SEAScout von QinetiQ North America sehen wir einen kompakten, einfachen Ansatz. Gey von Teleynde bietet Modularität für Nutzlast- und Systemkomponenten. Die UUV-Familie von Riptide nutzt Open-Source-Ansätze, um besonders benutzerfreundlich zu sein.

SEAScout von QinetiQ North America ist eine leichte, sehr kleine UUV der Größe A mit einer rekonfigurierbaren Nutzlastkapazität, mit der mehrere maritime Missionen ausgeführt werden können, beispielsweise Lockvogel, Torque Boje, Neutralisator, Datenerfassung, Aufklärung, Überwachung und Aufklärung. Die neueste Generation von SEAScout bietet verbesserte Ausdauer-, Kommunikations- und Navigationsgenauigkeit sowie neue Nutzlasten. Diese Arbeit baut auf der erfolgreichen Integration einer auf der ANTX 2018 vorgestellten akustischen Nutzlast auf. Diese neue kompakte UUV kann von US-Navy-Seglern ohne spezielles Training leicht und problemlos eingesetzt werden und vereinfacht den Einsatz in realen Missionen.

Der Gavia von Teledyne verwendet ein einzigartiges mechanisches / elektrisches Design, mit dem das Fahrzeug in kleinere Komponenten zerlegt werden kann. Dadurch kann das Fahrzeug mit einer Gesamtlänge von 1.000 Metern problemlos auf der ganzen Welt eingesetzt werden. Es bietet auch die Möglichkeit für Benutzer des Fahrzeugs, ihren zukünftigen Betrieb mit neuen Nutzlastmodulen zu erweitern, die rückwärtskompatibel mit AUVs sind, die vor der Verfügbarkeit der Nutzlastsensoren gebaut wurden. Dies wurde mit AUVs gezeigt, die 2008 ausgeliefert wurden, wobei neue Nutzlastmodule eingesetzt wurden, die im Jahr 2018, zehn Jahre später, gebaut wurden.

Gavia Modular AUV von Teledyne (mit freundlicher Genehmigung von Teledyne Marine)

Riptide Autonomous Solutions hat eine Familie von AUVs aufgebaut. Es begann mit einem microUUV und wurde zu größeren und tief bewerteten Varianten erweitert. Aber was im Inneren ist, ist wichtig. Die neuesten Entwicklungen in Elektronik und Software machen Riptide-Fahrzeuge besonders flexibel. Ihre Architektur bietet offene Hardware- und Softwareschnittstellen, um Benutzern eine zuverlässige und robuste Plattform zur Weiterentwicklung der Technologieentwicklung zu bieten. Mit diesem Ansatz konnte das Unternehmen auch innerhalb von 14 Monaten neue Standardprodukte rasch anpassen und auf den Markt bringen. Während dies in der Unterhaltungselektronik nicht ganz so ist, ist die Produktentwicklung sehr schnell. Die AUV-Community bewegt sich schnell in die nächsten 25 Jahre.

ASVs dann
Wie bei den AUVs war das MIT eine Quelle für die Entwicklung früher autonomer Oberflächenfahrzeuge (ASV). Es gab signifikante Parallelen zur AUV-Arbeit. Frühe Prototypen in den 1990er Jahren verwendeten kein GPS, es fehlte WLAN und sie hatten Probleme mit der Nutzlast. Wie die Odyssey-AUVs verwendeten diese Fahrzeuge nach dem Start einer Mission einen völlig autonomen Ansatz ohne Fahrzeuginteraktion. Ein Bereich früherer Innovationen an der Oberfläche war der Einsatz von Verbrennungsmotoren für den Antrieb. Diese frühen ASVs wurden zuerst von der Fischereiforschung inspiriert, die als Hilfsmittel zum Auffinden markierter Fische gedacht war. Schließlich verlagerte sich der Fokus auf die hydrographische Untersuchung, die heute zu einer der häufigsten Missionen geworden ist.

ASVs jetzt
In den letzten Jahren haben ASVs zugenommen, insbesondere kleine Systeme zur Verwendung an Land. Im Bereich der Hochseesysteme gibt es weniger Akteure. ASV Global, jetzt L3 ASV, war Vorreiter in diesem Bereich und hat sich auf die Entwicklung, Lieferung und Integration von unbemannten Oberflächenfahrzeugtechnologie spezialisiert. Sie bieten eine Reihe von kompletten USV-Systemen von zwei bis fünfzehn Metern Länge. Neben der Produktpalette von L3 ASVs führt das Unternehmen Projekte zur Umrüstung von Schiffen und kleinen Fahrzeugen für den unbemannten Betrieb durch. Dank der breiten Produktpalette bietet ASV dem Markt verschiedene und bewährte Lösungen für den Einsatz in Innen-, Küsten- und Offshore-Umgebungen. Sie haben mehr als 100 autonome Systeme an mehr als 60 Kunden in 15 Ländern geliefert. Wie Umfrage-AUVs sind ASVs jetzt ein bewährtes Werkzeug.
Die Mission der Meeresbodenvermessung bleibt eine Kernanwendung für diese Technologie. In diesem Bereich hat ASV kürzlich eine Partnerschaft mit Fugro, einem weltweit führenden Vermessungsunternehmen, angekündigt, um die nächste Generation autonomer Schiffe für den kommerziellen Vermessungsmarkt zu schaffen. Die Entwicklung dieser neuen Lösung für autonome Schiffe wird der Vermessungsindustrie dabei helfen, die Exposition von Offshore-Mitarbeitern zu reduzieren und die Betriebseffizienz zu erhöhen, indem der Betrieb sicherer und kostengünstiger gestaltet wird.
L3 ASV C-Worker 5 Autonomer Behälter (mit freundlicher Genehmigung: L3 ASV)
Unbemannte Systeme, die Ozeane in die Zukunft bringen
Seit Mitte der 1990er Jahre haben Internet, Software und ausgefeilte Elektronik das Leben an Land verändert. Auf See gab es ebenso transformative Entwicklungen. Frühe AUVs und ASVs zeigten das Potenzial unbemannter Systeme zur Umgestaltung der Meeresoperationen in allen Bereichen der blauen Wirtschaft. Frühe AUVs lieferten Ergebnisse für die Ozeanographie, heute bedienen sie verschiedene Sektoren und sind ein grundlegendes Element der Offshore-Erhebung. ASVs haben sich von rudimentären Near-Shore-Tools zu global relevanten Plattformen entwickelt, die mit Betreibern verbunden sind, die Tausende von Kilometern entfernt sind. In 25 Jahren wurden Hunderte von neuen unbemannten maritimen Fahrzeugen entwickelt. Sie haben Ozeane überquert, Schiffbrüche entdeckt, Minen gefunden und Hunderttausende Kilometer Meeresboden vermessen.
Henry Stommels visionärer Artikel, The Slocum mission, wurde 1989 veröffentlicht. Er erwartete Flotten autonomer Fahrzeuge, die über lange Zeiträume den Ozean durchquerten und beispiellose neue ozeanographische Daten sammelten. Nun, 30 Jahre später, mit dem anhaltenden Erfolg von unbemannten Unterwasser- und Oberflächenfahrzeugen, wurde Stommels Vision bewiesen, wenn nicht erreicht.

Über den Autor
Justin Manley ist Technologe und Führungskraft mit Erfahrung in Startups, Unternehmen, Wissenschaft und Regierung. Bei Just Innovation Inc. unterstützt er Kunden mit Fokus auf unbemannte Systeme.