כלי רכב תת-ימיים – החל ממכוניות המופעלות מרחוק (ROVs) שהוצבו בפני ספינות על פני השטח לרכבים תת-קרקעיים אוטונומיים לחלוטין (AUVs) – הרחיבו באופן דרמטי את יכולתה של האנושות ללמוד לעומק עצום ובלתי ידוע של האוקיינוס, מכונות אלה יכולות לרדת ללחצים שידחפו צוללת, צמיגים הידרותרמיוניים, לבדוק צינורות, לחפש אחר ספינות בלתי אפשריות של אדם, אך לא יאפשרוכות במהירות גבוהה יותר מבעוד מועדיות, ללא טייסים, ללא טייסים, ללא טייסים קריטיים, ללא טייסים, ללא טייסים, ללא טייסים, ללא טייסים, ללא טייסים, ללא טייסים, ללא טייסים, ללא טייסים קריטיים, תוך זמן קצר.

מה טייס אוטומטי ברכבים תת-קרקעיים?

בהקשר של חקר תת-ימי, טייס אוטומטי הוא שילוב של חומרה ותוכנה השולטת באופן אוטומטי על הגישה של כלי רכב (pitch, roll, yaw), עומק, מהירות וטרפירורי. בניגוד לשומר עומק פשוט, מערכת טייס רכב מודרנית משלבת נתוני חיישן, אלגוריתמי ניווט, והוראות הפעלה לביצוע משימות מורכבות כגון קווי סקר קרקעיים, חיפושים ספירליים, או תחנת מעקב ליד אלמוגים עדינים.

(הצורך בטייס אוטומטי עולה מהמגבלות הבסיסיות של שליטה מתחת למים.רדיו אותות אינם מתפשטים דרך מי הים, ולכן ROVs חייב להסתמך על כבל אטומי עבור כוח ותקשורת, יצירת בעיות לב והתאמה אישית: AUVs לחתוך את כבל לחלוטין, הפעלה במשך שעות או ימים ללא כל קלט אנושי בזמן אמת.

כיצד טייס אוטומטי עובד מתחת למים

טייס אוטומטי תת-ימי פועל בלולאה רציפה: תחושה, דביק, פועל.חיישנים על הסיפון של הרכב - כולל יחידת מדידה לא-מחדשת (IMU), חיישן לחץ, סונר, ולפעמים יומן מהירות דופלר (DVL) - מערער את המצב הנוכחי של המכונית.התוכנה האוטומטית משווה את המדינה הזו למצב הרצוי (דרך, עומק, כותרת חלקה), ומחשב את הניווטים של מאות פעמים הצורך של כוחות הבקרה הנוכחית.

חיישנים Fusion ו- Localization

מכיוון ש- GPS זמין רק כאשר פני השטח של הרכב, כלי רכב תת-ימיים חייבים להסתמך על חישובים מתים ואקוסטיים. An IMU עוקב האצה ומהירות זוויתית, אבל הגירוסקופים שלה ומד תאוצה על מדמונים שנסחף לאורך זמן. חיישן לחץ נותן עומק אמין. A DVL ביחס למשטח הים, שיפור דרמטי של הערכות המיקום.

דוגמה אמיתית לעולם: סקר קו לאחר

המשימה המשותפת של AUV היא להפעיל דפוס של קווי סקר מקבילים על שטח המיועד.הטייס האוטומטי חייב לשמור על הרכב בגובה קבוע מעל קרקעית הים (בדרך כלל 5-10 מטרים) תוך שמירה על קו ישר למרות זרמי הצלב.אם הרכב סחף החוצה, חוק הבקרה מאמת את הסולם והוראות דחף שונות יותר של כלי רכב מתקדמים (Fidicialer) כדי לענות על יכולת הנדסת חשמל מראש (R) כדי לענות על ידי הנדסת חשמלאי תיבות של שדה התעופה) באופן מיידי (R) על ידי קיבולת גבוהה יותר) אשר מתבצעת על ידי קיבולת קיבולת קונסולהמטר (R.

שליטה על Algorithms

הליבה של טייס אוטומטי הוא אלגוריתם הבקרה שלה מבחינה היסטורית, פרופורציונלית-בדרטיבי (PID) בקרים הם עבודת הכפייה של עומק ושליטה כותרת. עם זאת, עבור מלא שישה מעלות של תמרונים ללא טוהר, טכניקות מתוחכמות יותר משמשים:

  • (ב) ⁇ 0 ⁇ ⁇ (LQRrea): ⁇ 1:1 ⁇ אופטימיזציה של מאמץ שליטה תוך שמירה על יציבות, המשמש לעתים קרובות במחקר AUVs.
  • (ב) [15] ,9) ,"מ"ל: "התקוממויות" (ב"ב) כנגד אי-ודאות מודלים והפרעות חיצוניות כמו זרמי האוקיינוס.
  • (FLT:0) בקרת שליטה: 1FLT:1 Tunes פרמטרים בזמן אמת כמו שינוי הדינמיקה של הרכב (למשל, בשל שינויים בbuoyancy או תשלום).
  • (FLT:0) שליטה מועדפת: FIRLT:1 חיזוי מדינות עתידיות וחיל את הפקודות אופטימליות על אופק מתגלגל, במיוחד שימושי עבור הימנעות מכשולים והליכה בנתיב.

לכל אלגוריתם יש פערים מסחריים במורכבות חישובית, אינטנסיות וקלות של כוונון.הבחירה תלויה בגודל של הרכב, מהירות ודרישות המשימה.

ראשי תיבות של Underwater Autoטייס Systems

טייס אוטומטי הוא רק טוב כמו הרכיבים שלו.מערכת המשנה הבאה פועלת יחד כדי לאפשר ניווט אוטונומי אמין:

  • (FLT:0) יחידת מדידה אינפורמטיבית (IMU): ibph:1 בדרך כלל סיבי אופטי או טבעת-אסלר גיירו בשילוב עם מיקרו-אלקטרוניקה (MEMS) accelerometers. יחידות high-end המשמשות ב- AUVs יכול לעלות עשרות אלפי דולרים אבל להציע שיעורים מתחת 0.01 מעלות לשעה.
  • (ב) ⁇ (ב"ד:0) ⁇ (Depth Cell): ⁇ F1) A quartz-crystal Transducer אשר ממיר לחץ הידרוסטטי לקריאות עומק דיגיטליות עם דיוק ברמה גבוהה של סנטימטר.
  • (FLT:0)Doppler Velocity Log (DVLrea): FLT:1 השתמש הדופק אקוסטי כדי למדוד מהירות יחסית לקרקעית הים.הכרחי לשמירה על גובה ושיפור דיוק מת.
  • (FLT:0) Sonar:BuildFLT:1-See-Seeing, Side-scan, או רבבאם בנדר מספק מכשול-דה-דה-המודעה למצב.הטייס האוטומטי יכול להשתמש בנתונים של Sonar כדי ליצור התנהגויות של הימנעות.
  • (FLT:0)Acoustic Modem / מערכת מיקום:03FLT) 1 לקבלת עדכונים מספינת פני השטח (למשל, USBL - Ultra- Short Baseline) או לתקשורת עם כלי רכב אחרים.
  • (ב) ו[דרוש מקור]: [ב]] [ה[[המאה ה-20]]] ו[[המאה ה-20]], [[1924]]]] ו[[1924]]]]]], [[1924]]]]]]
  • (FLT:0) Embedd Computer:FLT:1ir מפעיל את התוכנה האוטומטית, נהגי חיישן ולוגיקה המשימה.לעתים קרובות משתמש במערכת הפעלה בזמן אמת (RTOS) כדי להבטיח תזמון מכריע.

סוגים של מערכות טייס אוטומטי

לא כל טייסי הרכב התת-ימיים הם אותו הדבר.העיצוב משתנה באופן משמעותי על בסיס תפקידו של הרכב:

ROV Auto טייסים (Tether-Assisted)

כלי רכב המופעלים מרחוק בדרך כלל יש טייס אוטומטי שעובד במצב "פל-בי-חוט" (fly-by-wire).המפעיל האנושי רשאי לשלוט על כותרת ועומק, וטייס אוטומטי מחזיק אלה בעוד המפעיל שולט במחבת המצלמה או במניפולטור נשק. טייסים רבים של ROV כוללים גם פונקציות עומק ואוטומטיות, כמו גם את המיקום של התחנה (דינמית) כך שהרכב יכול עדיין להסתמך על מבנה ללא גבול, אך עדיין על תפקודים של לוח הבקרה התת-קרקעיים.

טייסים חשמליים (Fully Autonomous)

כלי רכב תת-ימיים אוטונומיים פועלים ללא כבל, ולכן טייס אוטומטי שלהם חייב לנהל את המשימה כולה החל מהפעלה ועד להחלמה.זה כולל ניווט, הימנעות ממכשולים, ניהול אנרגיה (למשל, הסתגלות מהירות לסוללה), והתנהגות המונעת על ידי אירועים (למשל, אם קרקעית הים עולה בחדות, הרכב חייב לשנות גובה).

טייסי רכב גלידר (Buoyancy-Driven)

גלידרים תת-ימיים - כגון Slocum או Seaglider - שימוש בשינויים בbuoyancy כדי לנוע אנכי, וכנפיים להמיר את התנועה האנכית במהירות קדימה.טייס אוטומטי שלהם שולט מנוע החיבול, זווית המגרש, וגלגל כדי לנווט לאורך מסלול ראו-tooth. כי גלדרים הם יעילים אנרגיה ויכולים לפעול במשך חודשים, אוטומטי חייב לפעול למזער את המסלולים עדיין לתקן את מיקום GPS הרצוי.

היתרונות של טייס אוטומטי ב חקר תת-קרקעי

אימוץ טכנולוגיית טייס אוטומטי הפך מחקר ים ופעולות מסחריות.

  • (FLT:0) המשימה של משך:FLT:1 AUVs עם טייס אוטומטי יכול לפעול 24-72 שעות על מטען סוללה יחיד, בעוד רכב מבוקר באופן ידני ידרוש פיקוח אנושי קבוע.
  • (FLT:0) Precision Navigation: 1FLT טייסים אוטומטי לעקוב אחר קווי סקר עם דיוק ברמה של סנטימטרים, המאפשרת מדידות שוב-pass עבור זיהוי שינוי (למשל, ניטור vents ea עמוק או קרחונים).
  • (FLT:0) בטיחותיות וגמישות: FLT:1 טייס אוטומטי יכול להגיב באופן אוטומטי מכשולים, כישלונות מבניים או זרמים שליליים, צמצום הסיכון להתנגשויות או סבך.זה יכול גם ליזום הליכים חירום (למשל, ירידה במשקל על פני השטח) אם הוא מזוהה.
  • (FLT:0) חוסר היעילות: מפעילי אדם מעטים יותר נדרשים למשימה. מפעיל יחיד יכול לפקח על מספר יחידות AUVs או לתת לטייס אוטומטי לרוץ תוך כדי ביצוע משימות אחרות.זה מוריד את עלויות ההקצאה, ומגדיל את מספר הסקרים שניתן להשלים.
  • (ב) ב[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]
  • (FLT:0) אמינות ואיכות נתונים: FIRLT:1 טייסים אוטומטי להבטיח כי הרכב טס דפוס עקבי, מה שהופך את נתוני חיישן קל יותר לעבד ולהשוות על פני סקרים.

אתגרים ומגבלות

למרות יכולות מרשימים, טייסי רכב תת-ימיים מתמודדים עם אתגרים עצומים העושים מחקר מתמשך.

מגבלות חיישנים במים מורקיים

חיישני Sonar ואופטיקה מתפוגגים במהירות במים סוערים, מצמצם את היכולת של טייס אוטומטי לזהות מכשולים או למדוד מהירות. DVLs יכול לאבד מנעול נמוך על משקעים רכים או במים עמוקים (מעבר ⁇ 5,000 מטרים) מתחת לקרח, מיקום אקוסטי עשוי להיות בלתי אפשרי.הטייס האוטומטי חייב להסתמך על מת עם חיישנים לא רצויים, אשר במשך זמן מהרכבים לשאת עד כדי למדוד את המורכבות העליונה, אבל כדי למדוד את המורכבות של הילד הזה.

המונחים: BLACKSTES

זרמי האוקיינוס, גלים פנימיים, וזעזועים יוצרים הפרעות בלתי צפויות.טייס אוטומטי מכוון לתנאי רגוע עשוי להיות או שונה בהווה חזק. אלגוריתמי בקרה הסתגלות מנסים להעריך הפרעות באינטרנט, אבל הם דורשים עיצוב זהיר כדי למנוע חוסר יציבות. משימות בעולם האמיתי לעתים קרובות לכלול סימולציה של טרום-העברה של זרמי טיטד באתר, אבל תחזיות אלה יכולות להיות ליד מורכבות לא מדויק כמו קניונים או ים.

עיכובים תקשורת ו Bandwidth

עבור ROVs, ה- tether מעורר שקיפות שיכולה לעלות על 100 מ"מ לפעילות עמוקה, מקבל אתגר שליטה ידנית.טייס אוטומטי פועל על לוח אפס עצלות, אבל פקודות המפעיל חייבות עדיין לעבור דרך הtether.עבור AUVs, אין תקשורת בזמן אמת בכלל - רק הודעות אקוסטיות לסירוגין בקצב נמוך מאוד (לעתים קרובות <100 bps).

אנרגיה Constraints

חישובים של טייס אוטומטי ועיבוד חיישן לצרוך כוח.מכשירים המופעלים על ידי סוללה חייבים לסחור בתדירות השליטה עם סיבולת המשימה. מדענים לעתים קרובות להפעיל מצבי כוח נמוך אשר להפחית את קצב העדכון של טייס אוטומטי, אשר יכול להשפיע על דיוק ניווט.

אחריות וסובלנות

כשל טייס אוטומטי בעומק יכול לגרום לאובדן של הרכב, אשר יכול לעלות מיליוני דולרים.מהנדסים ליישם חיישנים מחוסנים, כלבי שמירה ומערכות לא בטוח, אבל אימות הוא קשה כי כישלונות הם נדירים ותרחישים קשה לשכפל.טייס אוטומטי חייב להתמודד עם טיפות חיישן, דחפור ריבס, ותוכנות אימות טפסים שיטות שליטה הם אזור פעיל של מחקר.

פיתוח עתידי בטכנולוגיית טייסים תת-קרקעית

העשור הבא יביא להתקדמות משמעותית כאינטליגנציה מלאכותית, שיפור החיישנים ופרדיגמות שליטה חדשות מתאחדות.

שילוב של בינה מלאכותית

הלמידה מכונה מוחלת על בעיות טייס תת-ימיות.למידה עמוקה יכולה להכשיר מדיניות בקרה כי בקרים קלאסיים בסימולציה, במיוחד עבור תמרונים זריזים. Neural רשתות גם לאפשר ניווט מקצה-לקצה מהנתונים של סונר גולמי כדי לדחוף פקודות, לדלג על תכונת ידנית מיצוי.עם זאת, אימות הבטיחות של מדיניות נלמדת בתנאים בעולם האמיתי נשאר אתגר פתוח.

משימות מדעיות אוטונומיות

בעתיד AUVs יהיה מסוגל לקבל החלטות מדעיות עצמאיות.לדוגמה, AUV מחפש זרמים הידרותרמיים יכול לזהות חתימות כימיות, לשנות את דפוס הסקר שלה כדי לעקוב אחר הצנרת, ולהחליט לטעום מים במקור - כל ללא קלט אנושי.זה דורש טייס אוטומטי להשתלב עם חיישנים סביבתייםboard ולבצע תוכניות משימה הסתגלות.

קונסולת Multi-Vehicle

טייסים אוטומטיים עבור חפות של AUVs קטנים הם שדה מתפתח.קבוצות מתואמות יכולים למפות אזורים גדולים מהר יותר מאשר רכב אחד.טייס אוטומטי חייב להתמודד עם עיכובים תקשורת בין-תחומית, מניעת התנגשות ומיקום שיתופי. כמה מערכות משתמשות בתצורות "מנהיג-עוקב", בעוד אחרים מפעילים אלגוריתמים מבוזרים כדי לשמור על צורה הרצויה תוך כדי תנועה.זה מבטיח במיוחד ניטור סביבתי וחיפוש תת-מימי.

חיוג תת-קרקעי אוטונומי

עבור פריסות ארוכות טווח, AUVs צריך לעגון עם תחנות טעינה תת-ימיות או נתונים העברה צומת.טייס אוטומטי חייב לבצע הדרכה מסוף מדויקת באמצעות משואות אופטיות או אקוסטיות, ולאחר מכן לבצע תמרון מעוגן בנוכחות זרמים.מאגר מוצלח הוכח בטנקים של בדיקות, אבל יכולת מבצעית מלאה באוקיינוס הפתוח עדיין במרחק כמה שנים.

מסקנה

מערכות טייס אוטומטי הן מעשי העבודה השקטים של חקר תת-ימי, המאפשרות כלי רכב לנווט אלפי מטרים מתחת לפני השטח עם דיוק ואמינות כי מפעילי אנוש לעולם לא יכולים להתאים.מחזקת ROVs למשימות מרובות חודשים תחת קרח הקוטבי, מערכות אלה משלבות היתוך, פיקוח על תאוריה, תוכנה חזקה יותר כדי לפתוח את סודות האוקיינוס.