Robótica submersa expandida pronta para derrames de óleo

Javier Gilabert • 30 março 2018

Javier Gilabert1, João Sousa2, Zoran Vukić3, Georgios Georgiou4, Laura da Torre5, David McMyler6, Mark Inall6, Juhan Ernits8, Martin Ludvigsen9, Marc Carreras10, Gabriel Oliver11, Maria João Costa2, António Sérgio Ferreira2, Dan Hayes4, Nadir Kapetanović3, Francisco López-Castejón1, Milan Marković3, Miguel Massot11, Dula Nad3, Petter Norgren9, João Luís Pereira2, Núria Pujol12, Manuel António Ribeiro2, Carolina Rodríguez1, Paulo Sousa Dias2, Matt Toberman6, Dionísio Tudela1, Jüri Vain8, Emily Venables6.

1Universidade Politécnica de Cartagena (UPCT), 2Universidade do Porto, Laboratório de Sistemas e Tecnologia Subaquática (LSTS), 3Universidade de Zagreb, Laboratório de Sistemas e Tecnologias Subaquáticas (LABUST), 4Universidade de Chipre, Centro de Oceanografia, 5SASEMAR, Agência de Segurança Marítima Espanhola, 6Irish Guardas Costeiras, 7A Associação Escocesa para a Ciência Marinha - SAMS, 8Tallin University of Thechnology - TUT, 9Universidade de Girona - UG, 10Universidade das Ilhas Baleares - UIB, 11Norges Teknisk-Naturvitenskatelige Universitet - NTNU, Unidade Tecnológica NacionalMICIC CSIC.

O rastreamento de vazamentos de óleo na água antes de chegar à superfície usando novas tecnologias robóticas emergentes está colmatando a lacuna entre as tecnologias tradicionais existentes (modelagem e satélites) como sistema de apoio à decisão para os tomadores de decisão. As plumas de óleo submerso podem vir de vazamentos no fundo ou de manchas superficiais que formam plumas subsuperficiais, como foi demonstrado recentemente. A inteligência distribuída desses dispositivos no derramamento combinado com a modelagem hidrodinâmica é capaz de criar uma imagem altamente precisa e dinâmica do derramamento. Essa tecnologia robótica multivios cooperativa permitirá um sistema de suporte à decisão barato, flexível, expansível, preciso e rápido, melhorando a capacidade de responder a esses eventos.
A robótica subaquática expandida pronta para derrames de hidrocarbonetos (e-URready4OS) é um projecto co-financiado pela União Europeia (Direcção-Geral da Protecção Civil e Operações de Ajuda Humanitária, DG-ECHO) que visa juntar forças para disponibilizar uma frota de veículos subaquáticos autónomos ( AUVs), veículos aéreos não tripulados (UAVs) e veículos de superfície não tripulada (USVs) com capacidade operacional para intervir contra derramamentos de óleo usando novas tecnologias robóticas multivistas cooperativas (http://www.upct.es/urready4os).
Este projeto é uma extensão natural do projeto anterior do URready4OS, no qual foi comprovado o conceito de uma frota cooperativa multivariada de ativos robóticos para a detecção e monitoramento de óleo de água.
Transformar este conceito em uma ferramenta operacional requer a melhoria do sistema já existente, a expansão da frota com novos ativos e a transferência de know-how para respondedores de derramamento de óleo. Os principais objetivos e resultados esperados deste projeto são:
  • Expanda a frota já existente do URready4OS (de 5 a 12 ativos) capaz de detectar petróleo na água.
  • Fornecer treinamento para novas equipes que ingressam na frota, realizando exercícios.
  • Melhore o sistema atual com novos desenvolvimentos de software, incluindo uma versão específica do Neptus.
  • Aumentar a capacidade do modelo MEDSLIK-II de fonte aberta disponível gratuitamente para rastrear vazamentos em pequena escala.
  • Transferir o know-how para Agências de Segurança Marítima (MSA) através de cursos teóricos e práticos curtos.
Onze instituições, universidades e MSAs, de oito países da UE, constituem a parceria: Universidade Politécnica de Cartagena - UPCT (Coordenador); Centro Oceanográfico - Universidade do Chipre - OC-UC, Universidade do Porto - UP, Universidade de Zagreb - UZ, Sociedad Española de Salvamento e Segurança Marítima - SASEMAR, Guarda Costeira Irlandesa - ICG, Associação Escocesa de Ciências do Mar - SAMS, Universidade de Tallin de Tecnologia - TUT, Universitat de Girona - UG, Universitat de les Illes Balears - UIB e Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia - NTNU.
O sistema e-URready4OS é uma frota de múltiplos ativos com capacidades e características diferentes, incluindo AUVs (Veículos Submarinos Autônomos), USVs (veículos não tripulados) e UAVs (veículos aéreos não tripulados) de seis diferentes fabricantes coordenados por um software de comando e controle de código aberto. (NEPTUS)
A frota de AUVs incorpora três LAUVs, dois IVER2, dois Sparus e um Remus 600. O Veículo Leve Autônomo Subaquático (LAUV) é fabricado pela OceanScan MST (uma empresa derivada do Laboratório de Sistemas e Tecnologia Submarina - LSTS - Universidade do Porto, http://www.oceanscan-mst.com/) voltado para operações inovadoras, autônomas ou em rede, para pesquisas oceanográficas, hidrográficas, de segurança e de vigilância com boa relação custo-benefício. Com base em um design modular, a plataforma é construída para ser robusta e confiável. O IVER2 AUV é um AUV pequeno e portátil, fabricado pela Ocean Server Technology, Inc (http://www.ocean-server.com/). Com um histórico comprovado em milhares de missões, é ideal para pesquisas de imagem e ambientais, incluindo pesquisa, desenvolvimento e aplicativos baseados em OEM. O design do IVER2 permite integrar novos sensores e capacidades. O Sparus II AUV é um veículo leve multiuso com área de carga útil específica para a missão, fabricado pela IQUA (uma empresa derivada da Universidade de Girona, http://quimobotics.com/). A área de carga útil pode ser personalizada pelo usuário final e com uma arquitetura de software aberta, baseada em ROS, para programação de missão. A Remus é fabricada pela Hydroid (https://www.km.kongsberg.com/hydroid), uma subsidiária integral da Kongsberg Maritime, fabricante líder de avançados e inovadores veículos submarinos autônomos e robôs marinhos para pesquisa e mapeamento em águas profundas em todo o mundo.
O componente de superfície do sistema é um veículo de superfície não tripulada (USV), uma plataforma de superfície superautuada autônoma (PlaDyPos) com 4 propulsores. Esta configuração permite o movimento no plano horizontal sob qualquer orientação. A plataforma foi desenvolvida na Universidade de Zagreb Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação, Laboratório de Sistemas Subaquáticos e Tecnologias (LABUST) para rastreamento de roteador de comunicação de objetos submarinos entre a superfície e o auxílio de navegação subaquática.
Os componentes aéreos são dois veículos aéreos não tripulados SKYWALKER X8 (Low-cost Components Off-The-Shelf), modificados no LSTS, que permitem missões de vigilância rapidamente implantáveis. É um veículo de fácil manuseio aperfeiçoado para cenários de reconhecimento de baixa altitude com alimentação de vídeo ao vivo usada aqui como relé de comunicação para AUVs quando fora do alcance.
Qualquer novo recurso aberto pode ser adicionado à frota apenas ajustando as comunicações e a integração no software Command and Control Neptus. A Neptus é uma infra-estrutura de comando e controlo distribuído para o funcionamento de todos os tipos de veículos não tripulados desenvolvidos na LSTS (Universidade do Porto, https://lsts.fe.up.pt/toolchain/neptus). Ele suporta as diferentes fases de um ciclo de vida típico da missão: planejamento, simulação, execução e análise pós-missão e pode ser adaptado pelas operadoras para atender aos requisitos específicos da missão e estendido pelos desenvolvedores por meio de uma abrangente estrutura de plug-in.
Após a implantação dos veículos na água, ocorre uma série de interações entre agentes e operadores. As posições dos veículos e as informações registradas pelos AUVs são transmitidas, por via aérea ou subaquática, para os operadores. Os AUVs podem transmitir esta informação diretamente para o navio (ou estação terrestre) subaquática através de um modem acústico. Eles também podem transmitir os dados para o USV debaixo d'água pelo mesmo sistema. O USV envia posteriormente as informações por via aérea, via Wi-Fi, para o navio, se na faixa de Wi-Fi, ou para o UAV. O UAV, pode entrar em contato com o sinal aéreo USV por baixa altitude voando sobre o veículo de superfície. No entanto, os AUVs também podem armazenar as informações a serem transmitidas por via aérea - via Wi-Fi - para o USV, o UAV ou o navio (se dentro do intervalo), quando na superfície. Os diferentes tipos de comunicação e distâncias proporcionam ao sistema uma flexibilidade extraordinária para projetar as operações.
Três exercícios de treinamento foram realizados. O primeiro em 2014 em Split, com o apoio da Marinha da Croácia, com três AUV, um USV e dois UAV operados sob o mesmo sistema de comunicação. O segundo exercício foi realizado a bordo do navio SASEMAR (Agência de Segurança Marítima Espanhola) “Clara Campoamor”, rebocadores oceânicos polivalentes e tem 80 metros de comprimento, fora de Cartagena (SE Espanha) no Mar Mediterrâneo em 2015. A mesma equipe colocou em prática diferentes estratégias para localizar e monitorar um derramamento de Rodamina WT abaixo de 15 metros. Em 2017, o terceiro exercício foi realizado a bordo do mesmo navio e local, com três novos AUVs. Missões para seis AUVs (diferentes fabricantes), um USV (PlaDyPos) e um UAV (X8) foram todos projetados pelo piloto chefe e enviados para os veículos. Várias missões foram projetadas para localizar, caracterizar e monitorar sua direção, tamanho e volume.
Para determinar a direção do derramamento a partir de uma origem conhecida, foi usado o modelo de comunidade MEDSLIK-II de código de modelo de código aberto livremente disponível (http://medslikii.bo.ingv.it/). Dentro do perímetro traçado pelo modelo, cada AUV realizou missões coordenadas em círculos concêntricos em diferentes profundidades, interceptando assim o vazamento em sua direção de deslocamento. Uma vez que a origem do derramamento é identificada, uma linha imaginária é traçada ao longo da pluma e os AUVs são programados para perpendicularmente cruzar esta linha em transectos eqüidistantes. Finalmente, as missões foram realizadas em linhas retas cruzando diagonalmente a pluma de muitos ângulos diferentes. Os sensores fluorométricos permitiram as medições de concentração, enquanto os transectos diagonais forneceram o mapa da extensão do derramamento.
Novos plug-ins para o software de comando e controle NEPTUS foram desenvolvidos e instalados em cada veículo, permitindo uma melhor integração da frota. A NEPTUS é capaz de projetar missões para qualquer veículo de fabricantes, mostrar suas trajetórias e registrar dados em tempo real, bem como visualizar mapas de trajetórias de petróleo previstos por modelos numéricos. Por outro lado, a coordenação de uma frota expandida trabalhando simultaneamente com 6 AUV, 1 USV, 1 AUV e 2 embarcações auxiliares tem dado resultados satisfatórios. A troca de informações entre o NEPTUS e a ponte começou a ser explorada durante este exercício.
O próximo exercício está previsto para 2018 a bordo do navio Celtic Voyager organizado pela Guarda Costeira Irlandesa.
A fim de disseminar e transferir conhecimentos adquiridos durante este projeto, um curso de curta duração é projetado para rastreamento de derramamento de óleo com agentes autônomos (AUVs, UAVs, USVs) e sua integração com outras tecnologias existentes é projetada. Uma primeira versão deste curso foi dada ao pessoal técnico da Protecção Civil em Chipre. O material desenvolvido para os cursos, que será aprimorado em eventos posteriores, é disponibilizado no site do projeto. Este curso permitirá que os usuários finais entendam como, quando e onde implantar uma frota de AUVs, as capacidades e limitações operacionais. Juntamente com o white paper do projeto, ele incluirá diretrizes, protocolos e rotinas tanto para comunicações entre veículos quanto para estações de terra / navio, bem como os procedimentos e requisitos para se juntar à frota para quaisquer veículos de terceiros disponíveis. O documento produzido é focado em questões práticas ao invés de teóricas, então pode ser usado para usuários finais decidirem quando e como eles devem usar essas tecnologias, como baixar e instalar o software, como preparar novos veículos para se juntar à frota, que são os requisitos de comunicação aéreos e submarinos, protocolos de comunicação a serem usados, etc.
A integração de novas equipes é sempre um grande desafio tecnológico e humano. Este projeto visa tornar acessível aos respondedores de derramamento de óleo um sistema aberto descentralizado, flexível, expansível, fácil de transportar, de baixo custo. Nosso projeto é baseado na ideia de que, quanto mais agentes treinados estiverem envolvidos, mais eficiente e disponível, mais útil e barato o sistema será.
O autor
O Dr. Javier Gilabert é professor do Departamento de Engenharia Química e Ambiental - Universidade Técnica de Cartagena (UPCT) - Espanha e PI do projeto Underwater Robotics Ready for Oil Spill.
(Conforme publicado na edição de março de 2018 do Marine Technology Reporter )
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