Crawlers Seafloor: Novas ferramentas robóticas para missões desafiadoras

Figura 1: A esteira rolante da zona de surf da lontra do mar

Figura 2: Um padrão de busca na escada da lontra marinha

tabela 1

Figura 3: O Boi Marinho com um trenó de carga útil rebocado

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De volta ao mar
É amplamente dito que a vida começou no oceano e gradualmente mudou-se para a terra. No caso de robôs rastreados, esta tendência é invertida. Durante o início dos anos 2000, impulsionados por demandas de defesa significativas, os robôs compactos foram desenvolvidos rapidamente. Produtos como o PackBot da iRobot e o Talon da Foster-Miller foram pioneiros em robôs terrestres de alto desempenho portáteis. As exigências de operar em ambientes hostis tornaram essas ferramentas robustas e inspiraram variantes totalmente impermeáveis. Infelizmente, no momento em que as limitações no armazenamento de energia, a autonomia e a telemetria tornaram os robôs rastejantes do fundo do mar uma novidade em vez de uma ferramenta produtiva. Isso mudou.

Através do surf
Atualmente, a C-2 Innovations, Inc. (C2I) desenvolveu uma família de robôs aptos, prontos para a produção e rastreamento do fundo do mar para levar os usuários de volta à zona de arrebentação e ao mar. Esta família inclui a compacta Lontra do Mar e o Boi Marinho de maior tamanho.

O Sea Otter Surf Zone Crawler (SZC), Figura 1, é um rastreador anfíbio de fundo totalmente autônomo de segunda geração, capaz de operar em profundidades de até 100 metros por meio de regimes de alta corrente de água e em terra. Sem uma corda, o sistema pode operar em regiões e correntes que os sistemas anteriores não conseguiam.

O C-2i Otter pode dirigir 16 km debaixo d'água ou 20 km em terra, e estacionar por um mês; retornando no comando ou em um tempo limite pré-arranjado. A capacidade de operar em ambientes mistos é única, enquanto o SZC permite o acesso a áreas que ofícios de superfície, nadadores ou técnicas baseadas em humanos não poderiam. A Sea Otter SZC opera com flutuabilidade negativa enquanto opera na camada limite de energia inferior. O perfil baixo minimiza ainda mais o arrasto de corrente. O veículo operou em 1,5 m de mergulho e pode atravessar terrenos macios que não suportam cargas humanas. Testes recentes demonstraram a capacidade de transportar cargas de 40 kg, bem como rebocar um trenó de 45 kg em várias superfícies marinhas.

As especificações da Otter-SZC incluem:

• Operação frente e verso simétrica para operação nas ondas pesadas
• Peso: 45 kg seco, 1 m de comprimento, 55 cm de largura e 25 cm de altura (expansível em comprimento e largura)
• Velocidade: para frente ou para trás, variável até 1 m / s
• Navegação: 3 eixos IMU, FOG, codificadores duplos, GPS de dupla face e dupla frequência
• Controle: o usuário seleciona totalmente autônomo (pré-programado), cabo ou controle de rádio
• Bateria: Li-ion recarregável
• Portas: porta de carregamento, porta Ethernet de programação, duas portas Ethernet convidadas

O design do Sea Otter é modular. Os pontões do lado estibordo e do lado da porta são peças centrais, mas as folgas do comprimento, da largura e do solo podem ser alteradas alongando-se os suportes da roda dentada intermediária ou trocando-se a ponte de conexão. O design atual inclui duas portas de convidado Ethernet e espaço interno para placas de circuito adicionais, como aquisição de dados ou placas de vídeo.

O design modular permitiu que as cargas de cinta fossem montadas em minutos, sem preocupação com a forma, o volume ou o peso da carga útil. As cargas incluíram salinidade, turbidez, profundidade de velocidade sônica, várias câmeras, sonares de imagem, bóias de liberação, penetrômetros de solo e trenós com sensores eletromagnéticos, entre outros.

As baterias e todos os componentes eletrônicos estão incluídos no volume da esteira, maximizando o volume livre para o compartimento de carga, minimizando o "bottoming". A faixa larga resulta em pressões de solo de menos de 1,3 kilopascal quando seco ou 0,43 kilopascal quando submerso. O projeto da trilha pode ser modificado para uma aderência mais agressiva ou mais largo e mais longo para reduzir o contato de pressão no solo. As defensas são adicionadas para minimizar a turbulência e o arrasto.

A precisão de navegação autônoma é obtida pela fusão de dados de um giroscópio de fibra ótica de eixo único (FOG) e uma unidade de medição inercial de 3 eixos. Um GPS de banda dupla recebe uma correção quando é exibido e é usado como uma verificação cruzada da posição. Os codificadores de eixo em cada lado da unidade medem a distância percorrida.

Precisões de 2% da faixa total foram rotineiramente alcançadas. Turn-in-place (TIP) e voltas-arco são calculados para manter a precisão do caminho. A Figura 2 ilustra um padrão de busca de escada pré-programado ao longo da Wells Beach em York, Maine. O teste ocorreu enquanto a maré estava alta e o sistema estava submerso (note que a foto está na maré baixa).

Além do Sea Otter, uma variante maior está disponível. O Sea Ox é um rastreador de fundo submarino versátil projetado para mapear e amostrar o fundo do oceano. Como o Sea Otter, o design modular permite fácil transporte, armazenamento e implantação. O sistema é projetado para operar de forma autônoma ou por meio de um comando com fio ou RF. O Boi Marinho tem 122 x 122 x 30 cm na configuração padrão, mas pode ser rapidamente estendido para aumentar o alcance ou a capacidade de reboque. Como mostrado na Figura 3, o Boi Marinho tem uma faixa submarina de 32 km, que pode ser estendida com o acréscimo de baterias a 64 milhas. O peso total do trator é de 113 kg e pode ser lastrado a 230 kg se estiver operando em ondas altas.

O Boi Marinho foi originalmente projetado para rebocar um trenó de instrumentação que incorporou duas bobinas de indução eletromagnética (EMI) projetadas pela White River Technologies, Inc. O trenó de 60 x 180 cm pesa 30 kg incluindo instrumentação. Sem preocupação com flutuabilidade ou considerações de volume, o Sea Ox e seu sled têm sido usados ​​para acrescentar pacotes adicionais de instrumentação ao cliente, como CTD, oxigênio dissolvido (DO), registradores sonoros, imageadores acústicos e perfis de corrente Doppler acústicos (ADCP). . Em desenvolvimento, há um sistema multi-shot para recuperar amostras físicas do ambiente marinho.

Duas aplicações atraentes
Robôs rastejantes do fundo do mar não são simples novidades; eles permitem muitos aplicativos críticos. A natureza anfíbia do Boi Marinho permite a operação em terra, através e incluindo a zona de transição até uma profundidade de 100 m. Um perfil baixo de 30 cm reduz o arrasto ao operar na camada limite de solo / água com velocidade mais baixa e permite que ele opere discretamente sob o tráfego de superfície. A via larga cria uma pressão extremamente baixa no solo de 0,0186 bar que pode transitar em solo extremamente macio, que é uma ordem de magnitude menor que a dos humanos. Com uma faixa submarina de 16 km (32+ km de superfície), pode pesquisar praias inteiras em um único dia. A modularidade do Boi Marinho permite que ele seja transportado manualmente através de áreas de praia sensíveis e possa ser lançado e recuperado por uma única pessoa da costa; reduzir o custo das pesquisas para uma fração dos sistemas convencionais, onde os custos logísticos podem superar a operação real. Algumas aplicações recentes demonstraram esse potencial.

Remediação de UXO
O Sea Ox é uma plataforma portátil de mobilidade inferior para investigações de UXOs nas regiões de transição, surfe e águas muito rasas. Financiado pelo Programa de Certificação de Tecnologia de Segurança Ambiental (ESTCP), programa de demonstração e validação de tecnologia ambiental do DoD, o Sea Ox demonstrou:

• Um design de baixo perfil que permite que o sistema opere na zona limítrofe, minimizando a exposição a correntes e minimizando o impacto de arrasto e ondas
• Um design leve, modular e poderoso, que permite o ajuste da pegada e do lastro para acomodar o trânsito em solos e sujeira de baixa pressão de rolamento, proporcionando tração para a tração de trenós de instrumentação
• Modularidade e montagem no local permitindo o transporte de um homem em terrenos difíceis ou ambientalmente sensíveis
• Muito baixo eletromagnético (EM) autogerado e ruído acústico minimizando a interferência de instrumentação
  Nessa missão, a Sea Ox rebocou um conjunto de detectores Flex-EM marinados da White River Technologies, Inc. (WRT).

Os objetivos do projeto foram:

• Avaliar a capacidade de realizar investigações geofísicas integradas por meio de pacotes de instrumentação transportados e rebocados em uma variedade de estados do terreno e do mar
• Desenvolver estratégias de manobra com um pacote de reboque
• Determinar mapeamento, precisão de cobertura
• Avalie as vantagens operacionais do design modular menor
• Mostrar a eficácia de custo completa do ciclo de vida, incluindo mobilização e desmobilização, modificação específica do veículo no local para o meio ambiente e suporte de carga útil, recuperação de veículos emperrados e manutenção e reparo

Estes foram realizados. O Sea Ox, mais capaz, é modular com um único conjunto de ferramentas e um peso máximo de componentes de 25 kg. Ele pode fornecer até um ano completo de manutenção de estações para caracterização diurna e sazonal de vários locais, de auto-implantação.

E adiante. . .
Os rastreadores do fundo do mar são uma categoria emergente de robótica submarina. Habilitado pela tecnologia de componentes aprimorada, essas ferramentas agora oferecem desempenho útil. Para uma pesquisa sustentada e precisa através da zona de surf há agora plataformas robóticas viáveis ​​nos levando de volta ao mar.