Explorando sob o gelo (e mantendo seu AUV em uma peça)

Por Luke Alden e Alex Johnson • 12 fevereiro 2020

Foto: International Submarine Engineering Ltd.

Dezembro de 2019 marcou o aniversário de um ano desde que a Universidade da Tasmânia enviou o AUV nupiri muka do ISE para a Antártida como parte da Parceria do Gateway da Antártida. Enquanto lá, ele completou com sucesso muitas missões de pesquisa sob o glaciar Sørsdal. Que melhor maneira de comemorar essa conquista do que enviá-la de volta para a volta da vitória deste ano!

As missões sob gelo podem ser notoriamente difíceis, e o ISE acumulou uma vasta experiência nos mais de 25 anos desde que começou a enviar veículos para as regiões polares. Além da missão mais recente da Antártica, os AUVs do ISE foram ao Ártico várias vezes. Notavelmente, dois AUVs do ISE criados para o Projeto Cornerstone, do Canadá, completaram 1000 km de pesquisa sob gelo em 2010, e o Theseus, construído pelo Projeto Spinnaker ISE, colocou 100s de quilômetros de cabos de fibra óptica.

Vários fatores levaram a essas operações bem-sucedidas e, neste artigo, discutiremos alguns dos perigos inerentes ao trabalho sob gelo polar e como eles foram mitigados.

Por que as missões AUV são desafiadoras?
Sempre que um AUV desce para explorar regiões desconhecidas, existe um Foto: International Submarine Engineering Ltd. chance de se perder. Mesmo para AUVs, o oceano não é um lugar amigável. O terreno em que ele navega é mapeado apenas parcialmente em alta resolução; sabemos mais sobre a superfície de Marte do que sobre nossos fundos oceânicos. Dito isso, existem maneiras de minimizar os riscos. Sempre há segurança na superfície, por exemplo. Se um AUV é projetado para ser levemente flutuante com pesos de queda de emergência para torná-lo ainda mais, ele pode simplesmente flutuar para a superfície em caso de emergência. O AUV também possui um conjunto de sensores para ajudar a evitar obstáculos e o próprio fundo do oceano, para que ele possa reagir ao terreno abaixo e à sua frente. A posição do AUV é quase sempre conhecida pelo rastreamento USBL e pode ser comunicada via comunicação acústica durante toda a operação. Isso permite que o piloto tome decisões críticas para ajudar a manter o AUV seguro.

Por que as missões sob gelo são desafiadoras?
Estar sob gelo polar aumenta muito a consequência do fracasso. Você não possui mais a rede de segurança da superfície, pouco se sabe sobre o terreno e não há comunicação com o AUV. Sempre que encontra dificuldades, deve ter sistemas que lhe permitam se recuperar por si só, sem intervenção humana.

Além disso, o rastreamento USBL não funciona bem. Se algo der errado, você não sabe onde está o AUV e provavelmente não é recuperável. Você não apenas perde um ativo de vários milhões de dólares, mas também não consegue descobrir o que deu errado para melhorá-lo da próxima vez.

Mesmo após uma missão bem-sucedida, a recuperação não é uma coisa certa, como o nupiri muka descobriu em suas viagens na Antártica. Todos os dias tinha que transitar de volta à estação de Davis por águas cheias de icebergs flutuantes do tamanho de carros.

Às vezes, o único acesso ao local da pesquisa será através de um pequeno buraco no gelo que se move vários quilômetros por dia, conforme experimentado nas missões de Cornerstone.

Isso coloca muita pressão para garantir que o plano da missão esteja correto e o AUV possa reagir a todas as situações adequadamente.

Foto: International Submarine Engineering Ltd. Como mitigamos os riscos extras?

Autonomia Avançada: Sem a relativa segurança da superfície, esta é a principal ferramenta que o ISE usa para manter seus AUVs seguros. Dá ao AUV a capacidade de tomar decisões contextuais em diferentes estágios do plano de missão. Existem muitos cenários que podem interromper a missão e alterar o objetivo do AUV, por exemplo, se surgir uma emergência e ele precisar abortar a missão pela rota mais segura. Com base nos parâmetros definidos, o AUV pode determinar onde está o mais adequado. No início da operação, isso pode ser simples, pois pode haver obstruções mínimas; no entanto, em uma área desconhecida sob gelo, a opção mais segura pode ser retornar da maneira que veio, em vez de outras opções possivelmente mais curtas. Enquanto sob o glaciar Sørsdal, este é precisamente o tipo de autonomia com que o nupiri muka foi equipado. Como a geleira é costeira, existem muitos locais onde as águas rasas podem restringir seu movimento, sendo capaz de mudar seu comportamento com base na profundidade da água é essencial.

Além disso, se um dos sensores do AUV não funcionar corretamente, ele poderá reagir de várias maneiras, dependendo da gravidade do problema: ele pode mudar para um sensor de backup ou voltar para casa. Outras características autônomas importantes incluem o monitoramento dos níveis de energia e a garantia de que o AUV volte para casa antes que as baterias acabem. Além disso, ter limites geográficos e cronômetros para cada seção da missão garante que o AUV possa reagir se estiver demorando muito para concluir segmentos ou sair do território da missão.

Hardware robusto: ter o hardware certo é outra maneira importante de mitigar riscos. Por exemplo, o nupiri muka foi equipado com um sonar de prevenção de obstáculos de feixe múltiplo que lhe permitiu ver não apenas o que estava à sua frente, mas também o que estava abaixo e acima dele. Seu algoritmo de prevenção foi projetado para reagir adequadamente, dependendo de onde estava o obstáculo, pois simplesmente subir e virar estibordo nem sempre é uma opção segura.

Para melhorar a precisão da navegação, o nupiri muka também foi equipado com um DVL para seguir o gelo, além de um após o fundo do oceano. Sem isso, perderia muito rapidamente a precisão posicional e talvez não pudesse voltar para casa. O veículo também tinha um modem acústico extra apontando para baixo para ajudar a melhorar a comunicação em situações em que o AUV estava próximo ao gelo da superfície. Quanto mais o piloto puder ajudar o AUV, maior a chance de sucesso.

Para o Projeto Cornerstone, os AUVs foram implantados através de um buraco no gelo que se movia vários quilômetros por dia. Os veículos foram equipados com um sistema de retorno que poderia ajudá-los a encontrar o caminho de casa, mesmo a 100 km de distância. Eles também foram equipados com um sistema de lastro variável para dar a eles a capacidade de estacionar no gelo e esperar que um ROV os transporte até a distância final até o buraco no gelo. Para minimizar os riscos de lançamento e recuperação, esses AUVs também foram equipados com conectores subaquáticos para carregamento e download de dados.
Todo esse hardware precisa ser experimentado e com design verdadeiro, usado por anos para garantir sua confiabilidade. Mesmo um sistema com falha pode fazer ou quebrar uma missão.

Para o sucesso.
Como podemos ver, houve muitos colaboradores para o sucesso em missões no gelo. A maioria discutida foi nos próprios veículos, mas é importante lembrar também o planejamento e a experiência necessários. Toda vez que o veículo é enviado, seu plano de missão deve ser cuidadosamente revisado por indivíduos com experiência polar. Com isso em mente - mais sangue, suor, lágrimas e talvez um pouco de sorte - não há razão para que não haja muitas missões polares mais bem-sucedidas no futuro.

Os autores
Luke Alden BSc Designer Mecânico na International Submarine Engineering Ltd. Luke tem mais de 10 anos de experiência em engenharia. Durante seu tempo no ISE, ele esteve envolvido em muitos projetos de design, incluindo a integração de câmeras em AUVs.

Luke Alden Alex Johnson Gerente do Departamento de Engenharia Mecânica da International Submarine Engineering Ltd. Alex gerenciou construções de AUVs com classificação de 3000 a 6000 metros e projetou vários sistemas de AUV durante seus 12 anos no ISE.

Alex Johnson