Conheça o Tentáculo Autônomo de Kraken LARS

De David Shea10 julho 2018

De troncos de elefante a pernas de polvo, a natureza está cheia de tentáculos que são adeptos à manipulação precisa.

Na Kraken Robotics, queríamos ver o que a natureza poderia nos ensinar sobre os melhores métodos de manipulação para o lançamento e a recuperação de veículos e equipamentos marítimos. Inspirados pelos sofisticados ciclos de feedback e tempos de resposta dinâmicos encontrados em criaturas como o elefante, o polvo e a água-viva - e até mesmo a planta carnívora ocasional -, realizamos um programa de pesquisa e desenvolvimento de 18 meses para o design biomimético.

Entrar ou sair da água é de longe a operação de maior risco para qualquer peça de equipamento oceanográfico. Envolve múltiplos componentes dinâmicos, impactados por alturas de onda, movimentos da embarcação, direção do vento e correntes. Como o equipamento é delicado e caro, muito cuidado deve ser tomado durante o seu lançamento e recuperação.

O Kraken's Handling Systems Group, com sede em Dartmouth, Nova Escócia, liderou o programa de P & D. As lições que aprendemos e o conhecimento que adquirimos culminaram no desenvolvimento do Sistema de Lançamento e Recuperação Autônomo do Tentáculo Kraken (ALARS).

O tentáculo de Kraken não é um sistema específico. É uma família de tecnologias usadas para implementar soluções de lançamento e recuperação modulares e escalonáveis ​​para uma variedade de veículos subaquáticos amarrados e sem limite. A primeira iteração do Tentacle foi projetada para o KATKISH KATFISH (Fig. 1), veículo rebocado ativamente estabilizado, cuja carga principal é o AquaPix Kraken's Synthetic Aperture Sonar. Versões futuras também acomodarão outros veículos. Após a conclusão de seus testes finais, esperamos lançar o Tentacle em agosto de 2018

Ao desenvolver um sensor integrado, uma plataforma e o LARS internamente, fornecemos um pacote totalmente operacional e confiável que é suportado por um único fornecedor e exige apenas energia elétrica da embarcação hospedeira.

Guincho inteligente do tentáculo
Designers de sistemas de manuseio geralmente vão para fabricantes externos para o guincho e então o integram em seu sistema de lançamento e recuperação. No início da pesquisa para o Tentacle, reconhecemos que o guincho deve ser o coração do sistema, com o potencial de fornecer muito mais do que apenas o cabo de pagamento e bobina. Como o principal impulsionador no processo de lançamento e recuperação, o guincho poderia ser projetado para compensar significativamente o movimento do navio e do veículo.

Como seu homônimo na natureza, o Tentacle Intelligent Winch pode parecer despretensioso do lado de fora, mas suas verdadeiras capacidades estão dentro dele. O módulo de controle eletrônico totalmente integrado hospeda algoritmos sofisticados para controle dinâmico manual, semi-autônomo ou totalmente autônomo do guincho. A unidade de referência de movimento integrado acompanha o movimento da embarcação hospedeira e os sofisticados modelos de software a bordo e prevê o estado do mar. Isso permite que o guincho preveja a temporização de picos e baixas de onda e otimize o torque variável no motor para minimizar os distúrbios de entrada através do cabo de reboque.

O operador pode obter o controle manual do Tentacle Winch por meio de entradas de chave manuais semelhantes às dos sistemas tradicionais ou remotamente por meio de interfaces Ethernet e Wi-Fi seguras. Um modo semi-autônomo permite a compensação dinâmica de surto (movimento de frente / trás) e elevação (movimento de subida / descida) para minimizar os distúrbios de entrada no cabo de reboque, mesmo em alto-mar. Um modo totalmente autônomo permite que o corpo de reboque KATFISH comande o guincho. À medida que a profundidade da água aumenta ou diminui, o KATFISH pode medir autonomamente a profundidade e comandar o guincho para bobinar ou pagar. Isso permite maior segurança, permitindo manobras de evasão de fundo totalmente automatizadas, mesmo em ambientes dinâmicos.

O Tentacle Winch foi projetado para ser inteligente e robusto. Ele atende aos requisitos militares de choque e vibração do MIL-STD 901D, bem como aos rigorosos padrões internacionais dos códigos Lloyd's Register e DNV-GL. É um sistema totalmente elétrico, proporcionando tempos de resposta aprimorados e eliminando a necessidade de unidades hidráulicas secundárias. E pode ser integrado em uma ampla gama de embarcações, desde pequenos navios de superfície não tripulados até grandes navios de apoio offshore.

Reflexos Condicionados
Na natureza, muitas vezes ouvimos referência a reflexos e memória muscular de criaturas, incluindo seres humanos. Os reflexos podem ser amplamente definidos como uma ação ou ações que ocorrem antes que o cérebro esteja consciente dos estímulos e separados em duas categorias; reflexos de abstinência e reflexos condicionados. Neste artigo vamos nos concentrar no último.

Os reflexos condicionados, comumente chamados de “memória muscular”, são reflexos que foram adquiridos como resultado da experiência. No caso dos humanos, um exemplo é a captura de uma bola; quando criança, aprendemos essa simples ação de jogar e pegar no jogo. Quando adulto, quando um humano é arremessado uma bola, ele instintivamente tentará pegá-lo antes que ele caia no chão, e os reflexos asseguram que os músculos de equilíbrio estejam tensos, e pequenos ajustes são feitos para compensar o peso esperado da bola. .

Para retornar a nossa analogia ao domínio dos equipamentos marítimos, comparamos um operador humano de um guincho hidráulico padrão ou LARS. Um jovem marinheiro provavelmente requer treinamento extensivo e tempo no mar para entender a dinâmica dos navios e as interações com o oceano. Em contraste, um marinheiro experiente com anos de experiência “treinou” para monitorar o movimento do navio, as condições de onda, o tempo do lançamento ou a recuperação do equipamento com o período das ondas e inchar, muitas vezes sem pensar isto. Essa experiência pode ser comparada a um reflexo condicionado, no qual o humano está realizando muitas ações tão rapidamente que elas são executadas sem o pensamento consciente.

São precisamente esses reflexos biologicamente condicionados que pretendíamos imitar no design do Tentacle Winch e incorporados no Sistema de Controle de Tentáculos.

Compensação de Movimento
O objetivo principal do Tentacle Winch é aumentar o desempenho do lançamento, reboque e recuperação de uma plataforma de sensores, como o sistema KATFISH. Ele consegue isso reduzindo o acoplamento de movimentos indesejados da embarcação de superfície na plataforma do sensor rebocado, o que é essencial para manter a estabilidade e a segurança da plataforma rebocada. Os sistemas de compensação de movimento projetados para desacoplar os movimentos da embarcação podem ser passivamente ou ativamente controlados. Embora os sistemas passivos sejam tipicamente mais simples, eles são limitados na frequência e magnitude de movimento que podem separar e podem causar problemas de ressonância devido à frequência natural inerente do sistema de amortecimento passivo (como em um amortecedor de mola). Felizmente, com os avanços na tecnologia do sistema de controle, os sistemas ativos estão se tornando muito menos complexos e menos caros.

A maioria dos sistemas ativos compensam o movimento do movimento. No entanto, para pequenos navios de superfície, como USVs, o movimento de surto pode ser um fator importante, especialmente quando a trilha - a distância atrás do veículo de reboque - é alta em comparação com a profundidade do corpo rebocado. Por causa disso, projetamos o sistema Kraken para compensar o aumento e o aumento.

Os três tipos comuns de sistemas de compensação de movimento determinam o movimento com base na posição da roldana do cabo na embarcação:

  • Um sistema de roldana voadora consiste em uma roldana montada em um dispositivo de movimento linear, como um cilindro hidráulico. O cabo é enrolado em 180 graus em torno dessa polia e o cilindro se move para dentro e para fora, mudando efetivamente o comprimento do cabo para compensar o movimento da embarcação.
  • Um sistema de lança com inclinação de cabeça tem uma roldana, sobre a qual o cabo passa, montado na extremidade de uma lança que é acionada para cima e para baixo para compensar o movimento da embarcação.
  • Um sistema de acionamento do guincho obtém as informações de movimento e, em seguida, libera ou coloca bobinas no cabo para compensar o movimento calculado de elevação e surto.

O ALARS do tentáculo emprega um sistema de movimentação do guincho devido à eficiência total do espaço, e a resposta ilimitada da magnitude devido ao comprimento grande do cabo.

Sistema de controle de tentáculos
O Sistema de Controle de Tentáculos dentro do ALARS é o cérebro e o sistema nervoso, detectando estímulos, processando feedback e gerando ações automaticamente. Consiste em dois componentes que operam em conjunto; o sistema de controle de nível baixo (subconsciente) e os sistemas de controle de alto nível (conscientes). O sistema de controle de baixo nível é semelhante aos reflexos condicionados observados na natureza e nos humanos, monitorando os estímulos dos sensores e reagindo quase instantaneamente, sem pensamento consciente. Quatro características-chave do sistema de controle de baixo nível são sua Compensação de Movimento Ativo, Seguimento Ativo do Terreno, Tensão Constante e Renderização Automática. O módulo Active Motion Compensation (AMC) é o principal recurso que separa o Kraken Tentacle Winch. Usando uma série de algoritmos proprietários de rastreamento de movimento e predição de movimento, o sistema AMC está continuamente rastreando o movimento (velocidade, orientação, posição) do vaso hospedeiro e o movimento (velocidade, orientação, posição) do KATFISH e calculando a velocidade necessária. e o torque deve ser aplicado ao guincho e cabo de reboque para compensar os movimentos da embarcação. O módulo AMC opera de forma autônoma, sem interação humana ou pensamento consciente, e efetivamente dissocia o movimento do vaso hospedeiro do KATFISH, aumentando drasticamente o envelope operacional do sistema KATFISH.

O módulo Active Terrain Following (ATF) permite que o KATFISH comande o guincho. Neste caso, o KATFISH detecta que o fundo do mar está subindo ou descendo e emite um comando para o módulo ATF para ajustar automaticamente o escopo do cabo para ajudar o KATFISH a seguir ativamente o terreno. A velocidade do pagamento do cabo ou bobina é monitorada e ajustada, e no caso de condições de emergência como evitar o fundo, o cabo pode ser bobinado com grande velocidade.

O módulo de Tensão Constante (TC), como o próprio nome sugere, destina-se a manter uma tensão especificada constante no cabo de reboque. Isso é calculado com base no feedback do sensor de torque no motor e é muito eficaz na eliminação de impulsos de tensão repentinos no cabo de reboque devido a ondas ou pequenos surtos. Este módulo também permite que o guincho mantenha o KATFISH na cabeça de ancoragem durante o lançamento e a recuperação sem um mecanismo de captura adicional.

O módulo Auto Render (AR) fornece um recurso à prova de falhas que permite ao sistema pagar automaticamente o cabo se a carga de reboque exceder um limite pré-definido. Na pior das hipóteses em que o corpo do reboque impacta o fundo do mar ou se enrosca em outras artes marinhas, este pagamento do cabo pode ajudar a "liberar" o corpo do reboque e minimizar o risco de danos ao corpo do reboque, eliminando qualquer risco de quebra do cabo.

O sistema de controle de alto nível é semelhante às ações conscientes de um operador humano e permite que o controle de lançamento, implantação e recuperação seja totalmente manual, remoto ou autônomo. Projetamos o sistema de controle para ser flexível, usando comunicações Ethernet e Wi-Fi para que todo o sistema possa ser integrado facilmente com outros sistemas de bordo. O sistema de controle de alto nível é composto por um painel de controle do operador, painel de controle elétrico, motores de guincho e atuador e uma variedade de interruptores de limite e sensores para limitar a amplitude de movimento e detectar o lançamento e recuperação corretos do KATFISH. O painel do operador consiste em uma tela sensível ao toque, controles manuais e indicadores. A tela sensível ao toque (que pode ser usada com luvas, em condições climáticas do mundo real), fornece ao operador dados operacionais atuais e históricos, configuração de parâmetros operacionais e alertas e advertências. O status dos controladores autônomos é continuamente monitorado e as informações em tempo real são transmitidas pelas interfaces Ethernet e Wi-Fi. Os operadores podem monitorar sem fio o status de operação e visualizar os principais dados, como direção do cabo, escopo e velocidade e parâmetros críticos, como temperatura do motor e carga do cabo.

Características de segurança
A segurança é a prioridade número um em qualquer operação marítima, e Kraken levou isso a sério dentro do projeto do Tentáculo. Embora muitas criaturas possam sobreviver e regenerar membros decepados, os seres humanos não são um deles. O Tentacle Winch inclui uma variedade de controladores autônomos e módulos inteligentes, todos os quais priorizam a segurança do operador humano e qualquer outro pessoal de convés acima de tudo.

Nós nos certificamos de que os recursos de segurança fossem claros e fáceis de usar. Cada painel de controle possui uma chave de parada de emergência (parada de emergência); o painel do operador possui uma parada de emergência adicional que pode ser conectada em um terminal voador. Quando a parada de emergência é pressionada, o sistema pára imediatamente a operação do motor e desconecta a energia dos motores. Uma variedade de avisos no painel do operador também alerta o usuário para parâmetros que excedem os limites de operação predefinidos. Uma pilha de luzes móveis com alerta sonoro fornece uma indicação visual e audível do status de operação.

Embora não seja tão rápido quanto os neurônios usados ​​em reflexos de abstinência na natureza, o Sistema de Controle de Tentáculos inclui um processador em tempo real e FPGA (Field-Programmable Gate Array) para respostas de segurança quase instantâneas e determinísticas processadas diretamente no hardware. Isso garante que todos os recursos de segurança e falhas de segurança reajam instantaneamente, independentemente do estado operacional do Tentáculo.

Desenvolvimento futuro
Acreditamos que o Sistema de Lançamento e Recuperação Autônomo da Tentacle e a tecnologia Intelligent Winch são uma excelente plataforma para desenvolvimento adicional. É uma combinação versátil das principais tecnologias de habilitação, e cada uma dessas tecnologias é fundamentalmente escalonável para aplicativos maiores (ou menores).

Em um esforço para imitar a memória de um ser humano típico, a memória interna do Tentacle Winch registra todos os dados de movimento dentro do sistema e quaisquer eventos significativos de movimento (temperatura excessiva, excesso de torque, excesso de tensão, etc.). Esses dados podem ser usados ​​para sintonize automaticamente os módulos do sistema de controle através de técnicas de aprendizado de máquina, melhorando os tempos de resposta e o desempenho geral, aprimorando os reflexos do Tentáculo.

Um exemplo de aplicação futura em consideração é o fornecimento de navios e outras embarcações que experimentam problemas de movimento relativo. Esses navios se beneficiariam muito se o sistema de compensação de movimento fosse aumentado por dados de movimento de uma plataforma de destino flutuante. O sistema poderia então determinar o movimento relativo entre o veículo hospedeiro e a plataforma alvo e ajustar o comprimento do cabo para que o alvo não visse movimento relativo entre a extremidade do cabo e a plataforma. À medida que tecnologias mais sofisticadas de controle de movimento se tornam disponíveis, elas podem ser facilmente incorporadas ao sistema Tentacle. Como seu homônimo na natureza, o sistema é forte e flexível.


Largura: 1.330 mm
Profundidade:
1.380 mm
Altura:
1.550 mm
Peso:
12 kN
Cabo OD:
8-12 mm
Capacidade do cabo:
2.000 m
Puxe:
15 kN
Potência:
440 3Ø


O autor
David Shea é vice-presidente de engenharia da Kraken Robotic Systems Inc.


(Conforme publicado na edição de junho de 2018 do Marine Technology Reporter )

Categorias: Equipamento Marítimo, Máquinas para convés, Máquinas para convés, Notícias do Veículo, Novos Produtos, Tecnologia, Veículos não tripulados