Studenci z AGH budują podwodnego robota

07/06/2021

Autorami niniejszego tekstu są studenci z koła naukowego AGH Marines z krakowskiej Akademii Górniczo Hutniczej. Chcieli oni podzielić się swoimi osiągnięciami i wiedzą z zakresu budowy robotów. 

Koło Naukowe AGH Marines realizuje projekty robotów podwodnych klas ROV (Remotely Operated underwater Vehicle – zdalnie sterowane pojazdy podwodne) oraz AUV (Autonomous Underwater Vehicle – autonomiczne pojazdy podwodne). Jednym z realizowanych pojazdów jest AUV “Haller”, który przygotowywany jest na konkurs RoboSub.

Woda jest środowiskiem trudnym z wielu powodów. Pojazdy muszą być hermetycznie zamknięte, znosić wysokie ciśnienie, szybko reagować na pojawiające się turbulencje oraz wyposażone w skomplikowane układy czujników i efektorów przystosowanych do wykonania zadania. Wiele sensorów ma ograniczone możliwości, czego przykładem mogą być kamery, które w zależności od przejrzystości wody mogą mieć zasięg widzenia zredukowany nawet do kilku metrów lub kilkudziesięciu centymetrów.

Dużą przeszkodą w operacjach pojazdami podwodnymi jest brak możliwości bezpośredniej komunikacji radiowej o niezbędnej szybkości z uwagi na tłumienie zachodzące w wodzie. Z tego względu pojazdy wykonujące skomplikowane zadania manipulacyjne, które w obecnych czasach są wykonywane przez operatorów, muszą być podłączone przewodowo zarówno w celu komunikacji jak i zasilenia robota. Wraz z rozwojem technologii, część prostszych i bardziej monotonnych czynności przejmują pojazdy autonomiczne. Są to zadania takie, jak inspekcja gazociągów, poszukiwania podwodne, mapowanie dna etc. Z uwagi na powyższe czynniki, pojazdy typu AUV charakteryzują się całkowitą samodzielnością, gdyż operując bez połączenia kablowego na głębokości wielu metrów nie istnieje możliwość komunikacji i robot jest zdany wyłącznie na siebie. Zasilanie zapewnione jest z pokładowych akumulatorów.

Haller będzie wykonywał samodzielnie zadania, które będą na niego czekać na konkursie RoboSub, który jest największym na świecie konkursem robotów podwodnych typu AUV, a organizowany jest w Stanach Zjednoczonych. Konkurs odbywa się na dużym, głębokim basenie w placówce TRANSDEC w San Diego. Składa się on z wielu etapów, w których robot będzie musiał wykazać się zdolnością rozpoznawania i interpretacji obrazu, umiejętnościami manipulacyjnymi oraz lokalizacji za pomocą sygnału akustycznego.

Przykładowymi zadaniami stojącymi przed Hallerem będzie:

• Odnalezienie bramki startowej i przepłynięcie przez nią w określonym miejscu wykonując jednocześnie obrót;
• Podniesienie z dna kilku przedmiotów, a następnie interakcja tymi przedmiotami z przeszkodami konkursowymi;
• Odnalezienie drogi do kolejnych zadań wykorzystując wizualne markery;
• Odnalezienie drogi do kolejnych zadań wykorzystując markery akustyczne;
• Strzelenie do rozpoznanego celu torpedą;
• Podniesienie z dna obiektu i powrót z nim w strefę startu.

Udział zespołu w wykonywaniu przez robota zadań ogranicza się do włączenia go oraz umieszczenia w wodzie.

Dokładna nawigacja w środowisku podwodnym jest niezwykle trudna. Nie jest możliwe wykorzystanie technologii GPS w celu przybliżenia lokalizacji, a nawigacja inercyjna (z wyłączeniem żyroskopu), z uwagi na niskie wartości przyspieszeń i tym samym niski współczynnik SNR (signal to noise ratio), jest niedokładna. Aby zachować możliwość lokalizacji bezwzględnej, Haller wyposażony będzie w urządzenie DVL – Doppler Velocity Log, które to wykorzystując efekt Dopplera, pozwala na dokładny pomiar prędkości względem dna, a tym samym na wiarygodną estymację położenia.

Za rozpoznawanie obiektów oraz lokalizację względem przeszkód i mapowanie najbliższego otoczenia odpowiedzialna będzie kamera stereoskopowa, która umożliwi robotowi postrzeganie głębii, a przez zastosowanie odpowiednich algorytmów przetwarzania obrazu, a także detekcji i klasyfikacji obiektów, które się na nim znajdują, możliwe będzie dokładne rozmieszczenie w wirtualnej przestrzeni wszystkich dostrzeżonych obiektów, jak i robota względem nich.

Oczywiście, to nie wszystkie sensory, które znajdą się na Hallerze. Znajdą się na nim między innymi również hydrofony to orientacji akustycznej, a także kilka innych czujników. W skład efektorów wliczać się będzie manipulator z chwytakiem, a także dwuprowadnicowa wyrzutnia torped.

Cały robot będzie mieć wymiary około 1 m x 1 m x 1,8 m i ważył około 30 kilogramów.

Podobnie, jak w przypadku realizowanego ROV Gupik, Haller będzie miał dedykowaną, specjalnie zaprojektowaną i sprawdzoną w symulacjach CAE konstrukcję, która będzie wodoszczelna, a także opływowa, co zredukuje opory ruchu. Bezpieczne zanurzenie Hallera będzie oscylowało w graniach 30 metrów. Głównym napędem będą opracowane przy wcześniejszych pracach, autorskie pędniki w układzie azymutalnym. Sterowane będą za pomocą złożonego algorytmu obejmującego regulator LQR i optymalizację programowaniem kwadratowym, co zwiększy oszczędność energii i precyzję sterowania.

Wszystkie powyższe algorytmy, czujniki oraz cały model matematyczny zostały zasymulowane w środowisku wirtualnym, co umożliwia prowadzenie prac nad algorytmiką bez fizycznego robota.

Odwiedź naszą stronę: AGH Marines oraz profil na Facebooku

Autor: AGH Marines

Portal robotyka.pl wspiera polską naukę i studentów. Zapraszamy wszystkich chętnych studentów oraz koła naukowe do dzielenia się osiągnięciami ze swoich prac z kręgu szeroko pojętej robotyki i automatyki.