Veículos não tripulados: 25 anos de marcos

Um Hugin AUV sendo lançado (Cortesia Kongsberg)

SEAScout Mk2 UUV da QinetiQ América do Norte na ANTX 2018 (Cortesia QinetiQ North America)

UUVs de Riptide usam arquiteturas abertas para permitir usuários (Cortesia Riptide)

Um protótipo inicial do ASV (Cortesia J. Manley)

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Com o início de 2019, a comunidade de tecnologia oceânica comemora 50 anos da Oceanology International, uma reunião global e mostra as ferramentas e tecnologias usadas pela indústria marítima, ciência e defesa. Nesse espírito retrospectivo, é informativo observar a história da comunidade de veículos marítimos não tripulados (UMV). Embora existam registros de desenvolvimentos no campo já em 1957, a era moderna traça suas raízes até o início dos anos 90. Uma das principais fontes de desenvolvimento de tecnologia foi o Laboratório de Veículos Submarinos Autônomos (AUV) do MIT Sea Grant, que gerou inúmeros veículos, lançou um líder do setor e treinou muitos engenheiros que agora estão formando o campo em todo o mundo.

A evolução dos AUVs, às vezes conhecidos como UUVs e veículos de superfície autônomos (ASVs), às vezes conhecidos e USVs, ilustra influências técnicas e comerciais. À medida que a tecnologia amadureceu, os aplicativos e o impacto nos negócios cresceram também.

AUVs então
No início dos anos 90, o MIT AUV Lab estava trabalhando com uma série de veículos conhecida como Odyssey Class. Estes tinham cerca de 21 polegadas de diâmetro e cerca de 2 metros de comprimento. Eles foram projetados para mergulhar até 6 mil metros, mas serem relativamente acessíveis e fáceis de implantar. Esses veículos apoiavam muitas missões científicas, incluindo o trabalho sob o gelo no Ártico e a oceanografia na Antártida. Um programa fundamental apoiado por esses veículos, patrocinado pelo Escritório de Pesquisa Naval (ONR), era conhecido como a Rede Autônoma de Amostragem de Oceano. Este projeto pioneiro para ancoragem de AUVs. Experimentos no mapeamento do fundo do mar e na caça às minas também foram realizados durante os primeiros dez anos do Laboratório AUV. Em 1997, a Bluefin Robotics foi fundada para fazer a transição dessas idéias para a indústria, o primeiro de muitos fabricantes comerciais de AUV a seguir.
Os desenvolvimentos tecnológicos da Odyssey tocaram em todos os domínios. Os principais desenvolvimentos no controle de veículos não tripulados inspiraram as comunidades de software atuais. Em particular, o MOOS (Mission Oriented Operating Suite) foi lançado no MIT AUV Lab no início dos anos 2000. Outros desenvolvimentos técnicos realizados foram experimentos com modems acústicos precoces e registros de velocidade Doppler (DVLs). Sistemas de carga útil também foram integrados e avaliados. Os primeiros sonares digitais de varredura lateral foram um passo importante em direção aos AUVs de pesquisa atuais. A primeira integração de um perfilador sub-bottom em um AUV também foi concluída pelo MIT AUV Lab durante sua primeira década.

Um Odyssey AUV equipado com um perfilador sub-bottom inicial (Cortesia J. Manley) AUVs Hoje

AUVs vêm em diversas formas e tamanhos. Tecnologias que estavam fora de alcance há 25 anos são comuns. O veículo Hugin é um dos principais veículos comerciais em serviço atualmente. Ele é ilustrativo de toda a comunidade, oferecendo um conjunto abrangente de sensores de carga útil, incluindo sonar de varredura lateral, perfilador de fundo inferior, sonda de multifeixe, magnetômetros e câmeras. Cargas úteis emergentes demonstradas na Hugin incluem sonares de abertura sintética e scanners a laser. A solução de navegação para AUVs Hugin usa saída bruta de uma unidade de medição inercial integrada (IMU) acoplada a outros sensores in-situ disponíveis, processados em tempo real usando um filtro de Kalman. Estas são todas melhorias significativas dos primeiros veículos Odyssey que transportavam pouco mais que um sensor de temperatura e contavam voltas de hélice para fins de posicionamento submarinos.

Comercialmente, a Hugin e seus concorrentes estão atendendo a vários mercados. Compradores militares usam AUVs para caça e oceanografia física. Usuários de ciência pesquisam naufrágios e fontes hidrotermais. Mas o setor comercial mais vibrante para os AUVs é a energia offshore. Tanto o petróleo como o gás e as energias renováveis, como a eólica offshore, empregam AUVs para muitos tipos diferentes de missão, desde a caracterização e inspeção do local até a inspeção do oleoduto. A hidrografia marinha e pseudo-sísmica 3D bem como estudos arqueológicos também são aplicações comerciais comuns. Hoje, a pesquisa AUV não é apenas aceita, mas esperada, em muitas aplicações marítimas.

Com os AUVs de pesquisa se tornando comuns, a fronteira emergente para AUVs inclui novos conceitos possibilitados pelas modernas técnicas de eletrônica, design e fabricação. Na SEAScout da QinetiQ North America, vemos uma abordagem compacta e simples. O Gavia da Teleynde oferece modularidade para componentes de carga útil e de sistema, e a família Riptide UUV aproveita as abordagens de código aberto para ser especialmente fácil de usar.

O SEAScout da QinetiQ North America é um UUV leve, tamanho A e muito pequeno, com capacidade de carga útil reconfigurável que permite realizar várias missões marítimas, como isca, bóia de gateway, neutralizador, coleta de dados, inteligência, vigilância e reconhecimento. A última geração da SEAScout oferece maior resistência, comunicação e precisão de navegação, além de novas cargas úteis. Este trabalho baseia-se na integração bem-sucedida de uma carga acústica demonstrada na ANTX 2018. Este novo compacto UUV foi projetado para ser facilmente e facilmente empregado por marinheiros da Marinha dos EUA sem treinamento especializado, simplificando o emprego em missões do mundo real.

O Gavia da Teledyne usa um projeto mecânico / elétrico exclusivo que permite que o veículo seja desmontado em componentes menores. Isso permite que o veículo avaliado em 1.000 metros seja facilmente implantado em todo o mundo. Ele também oferece a oportunidade para os usuários do veículo expandirem suas operações futuras com novos módulos de carga úteis compatíveis com os AUVs construídos antes da disponibilização dos sensores de carga útil. Isso foi demonstrado com AUVs entregues em 2008, empregando novos módulos de carga útil construídos em 2018, dez anos depois.

Gavia Modular AUV de Teledyne (Cortesia Teledyne Marine)

A Riptide Autonomous Solutions construiu uma família de AUVs. Começou com um microUUV e expandiu-se para variantes maiores e com maior classificação. Mas é o que está no interior que importa. Empregar os mais recentes desenvolvimentos em eletrônica e software torna os veículos Riptide especialmente flexíveis. Sua arquitetura apresenta interfaces abertas de hardware e software para fornecer aos usuários uma plataforma confiável e robusta para promover o desenvolvimento de tecnologia. Essa mesma abordagem também permitiu que a empresa se adaptasse rapidamente e lançasse novos produtos padronizados em 14 meses. Embora isso não seja exatamente o ritmo dos produtos eletrônicos de consumo, é um desenvolvimento muito rápido dos produtos. A comunidade do AUV está se movendo rapidamente para os próximos 25 anos.

ASVs então
Tal como acontece com os AUVs, o MIT foi uma fonte de desenvolvimento precoce de veículos de superfície autônomos (ASV). Houve paralelos significativos com o trabalho de AUV. Os primeiros protótipos da década de 1990 não usavam GPS, não tinham WiFi e lutavam com cargas úteis. Como os Odyssey AUVs, esses veículos usavam uma abordagem totalmente autônoma sem qualquer interação com o veículo, uma vez que uma missão fosse lançada. Uma área de inovação inicial na superfície foi o uso de motores de combustão interna para propulsão. Esses primeiros ASVs foram inspirados pela primeira vez pela pesquisa pesqueira, destinada como ferramentas para rastrear peixes marcados. Eventualmente, o foco mudou para o levantamento hidrográfico, que se tornou uma das missões mais comuns hoje em dia.

ASVs agora
Nos últimos anos, os ASV proliferaram, especialmente os pequenos sistemas para uso na costa. No domínio dos sistemas oceânicos, há menos jogadores. A ASV Global, agora L3 ASV, foi pioneira nessa área, especializada no desenvolvimento, fornecimento e integração de tecnologia de embarcações de superfície não tripuladas. Eles oferecem uma gama de sistemas USV completos de dois a quinze metros de comprimento. Além da linha de produtos da L3 ASVs, a empresa está realizando projetos para converter navios e pequenas embarcações em operações não tripuladas. A ampla gama de produtos permite que a ASV forneça soluções variadas e comprovadas para o mercado de operações em um ambiente interno, costeiro e offshore. Eles entregaram mais de 100 sistemas autônomos para mais de 60 clientes em 15 países. Como os AUVs de pesquisa, os ASVs são agora uma ferramenta comprovada.
A missão do levantamento do fundo do mar continua a ser uma aplicação central para esta tecnologia. Neste domínio, a ASV anunciou recentemente uma parceria com a Fugro, líder global em pesquisas, para criar a próxima geração de embarcações autônomas para o mercado de pesquisas comerciais. O desenvolvimento dessa nova solução de vaso autônomo ajudará a indústria de pesquisa a reduzir a exposição de funcionários em alto mar e aumentar a eficiência operacional, tornando as operações mais seguras e com melhor custo-benefício.
Navio Autônomo L3 ASV C-Worker 5 (Cortesia: L3 ASV)
Sistemas não tripulados movendo oceanos para o futuro
Desde meados da década de 1990, a internet, o software e a eletrônica sofisticada transformaram a vida em terra. No mar, houve desenvolvimentos igualmente transformadores. Antigos AUVs e ASVs demonstraram o potencial de sistemas não tripulados para transformar operações oceânicas em todos os setores da economia azul. Os primeiros AUVs entregaram resultados para a oceanografia, hoje eles atendem a diversos setores e são um elemento fundamental da pesquisa offshore. ASVs evoluíram de ferramentas near-shore rudimentares para plataformas globalmente relevantes conectadas a operadoras a milhares de quilômetros de distância. Em 25 anos, centenas de novos veículos marítimos não tripulados foram desenvolvidos. Eles cruzaram oceanos, descobriram naufrágios, encontraram minas e inspecionaram centenas de milhares de quilômetros de fundo marinho.
O artigo visionário de Henry Stommel, The Slocum mission, foi publicado em 1989. Ele antecipou que frotas de veículos autônomos vagavam pelo oceano em escalas de tempo prolongadas e colecionavam novos conjuntos de dados oceanográficos sem precedentes. Agora, 30 anos depois, com o contínuo sucesso dos veículos submarinos e de superfície não tripulados, a visão de Stommel foi demonstrada, se não alcançada.

Sobre o autor
Justin Manley é um tecnólogo e executivo com experiência em startups, corporações, academia e governo. Na Just Innovation Inc., ele oferece suporte a clientes com foco em sistemas não tripulados.