Bezzałogowy pojazd naziemny - Unmanned surface vehicle

Brytyjski RNMB Harrier w 2020 r., autonomiczny USV systemu minowego ARCIMS Atlas Elektronik
Demonstracja pasażerskiego USV w Hampton w stanie Wirginia w USA w styczniu 2009 r.

Bezzałogowe pojazdy powierzchniowe (USVs, znana również bezzałogowych statków nawodnych (USVs) lub (w niektórych przypadkach) autonomicznych pojazdów Nawierzchnia (ASVS) Uncrewed nawodne (USVs) lub potocznie dronów statków ) są łodzi i statków, które działają na powierzchni woda bez załogi. Pojazdy USV działają z różnymi poziomami autonomii, od prostego pilota do autonomicznej nawigacji zgodnej z COLREG .

Środowisko regulacyjne

Środowisko regulacyjne dla operacji USV zmienia się szybko wraz z rozwojem technologii i jest coraz częściej wdrażane w projektach komercyjnych. Maritime Autonomous Surface Ship UK Industry Conduct Principles and Code of Practice 2020 (V4) zostały przygotowane przez brytyjską Grupę Roboczą Morskich Systemów Autonomicznych (MASRWG) i opublikowane przez Maritime UK za pośrednictwem Society of Maritime Industries. Organizacje, które przyczyniły się do powstania Kodeksu Postępowania MASS to m.in. The Maritime & Coastguard Agency (MCA), Atlas Elektronik UK Ltd, AutoNaut, Fugro, UK Chamber of Shipping , UKHO , Trinity House , Nautical Institute , National Oceanography Center , Dynautics Limited, SEA-KIT International i wiele innych.

W lipcu 2021 r. firma SEA-KIT International została pierwszym projektantem i konstruktorem USV, który otrzymał od Lloyd's Register certyfikat bezzałogowych systemów morskich (UMS) za projekt USV klasy X o długości 12 m. USV Maxlimer jest statkiem klasy X stworzonym przez SEA-KIT w swojej siedzibie w Tollesbury w stanie Essex.

Rozwój

Już pod koniec II wojny światowej zdalnie sterowane USV były wykorzystywane do trałowania min . Od tego czasu postęp w systemach kontroli USV i technologiach nawigacyjnych zaowocował pojazdami USV, którymi operator może sterować zdalnie (z lądu lub z pobliskiego statku): USV, które działają z częściowo autonomiczną kontrolą, oraz USV (ASV), które działają w pełni autonomicznie. Nowoczesne zastosowania i obszary badawcze dla USV i ASV obejmują żeglugę komercyjną, monitorowanie środowiska i klimatu, mapowanie dna morskiego , promy pasażerskie , badania nad robotyką , nadzór, inspekcje mostów i innej infrastruktury, operacje wojskowe i morskie.

Platformy autonomiczne USV

Na rynku dostępnych jest wiele platform autonomicznych dostosowanych specjalnie do operacji USV. Niektóre są przywiązane do bardzo szczególnych statków, podczas gdy inne są wystarczająco elastyczne, aby można je było zastosować do różnych konfiguracji kadłuba, mechanicznych i elektrycznych.

Platformy autonomiczne USV
Nazwa Sprzedawca Rodzaj Rozmieszczone statki USV na zamówienie dostawcy Konwersja do USV/OEM COLREG
ASZobacz L3Harris Handlowy 100+ tak tak Zdolny
Łosie MIT Otwarte źródło Nie Tak (otwarte źródło) Zdolny
SM300 Maszyny morskie Handlowy 7 Nie tak Zdolny

Sterowanie i działanie

Projektowanie i budowa bezzałogowych statków nawodnych (USV) jest złożone i trudne. Należy przeanalizować i wdrożyć setki decyzji związanych z celami misji, wymaganiami dotyczącymi ładowności, budżetem mocy, projektem kadłuba, systemami komunikacji oraz kontrolą i zarządzaniem napędem. Konstruktorzy statków z załogą często polegają na dostawcach z jednego źródła w zakresie napędu i oprzyrządowania, aby pomóc załodze kontrolować statek. W przypadku statku bez załogi (lub częściowo z załogą), budowniczy musi wymienić elementy interfejsu ludzkiego na zdalny interfejs użytkownika.

Względy techniczne

Bezzałogowe statki nawodne różnią się wielkością od poniżej 1 metra LOA do ponad 20 metrów, a ich wyporność waha się od kilku kilogramów do wielu ton, więc systemy napędowe obejmują szeroki zakres poziomów mocy, interfejsów i technologii.

Typy interfejsów (ogólnie) według wielkości/mocy:

  • Elektroniczne regulatory prędkości sterowane PWM do prostych silników elektrycznych
  • Magistrala szeregowa, przy użyciu poleceń zakodowanych w ASCII
  • Magistrala szeregowa wykorzystująca protokoły binarne
  • Interfejsy analogowe spotykane na wielu większych statkach
  • Zastrzeżone protokoły CANbus używane przez różnych producentów silników
  • Zastrzeżone protokoły CANbus używane przez producentów ogólnych elementów sterujących silnika

Podczas gdy wiele z tych protokołów przenosi wymagania do napędu, większość z nich nie zwraca żadnych informacji o stanie. Informacja zwrotna o osiągniętych obrotach może pochodzić z impulsów tachografu lub z wbudowanych czujników, które generują dane CAN lub szeregowe. Można zamontować inne czujniki, takie jak wykrywanie prądu w silnikach elektrycznych, które mogą wskazywać dostarczaną moc. Bezpieczeństwo ma kluczowe znaczenie, szczególnie przy wysokich poziomach mocy, ale nawet małe śmigło może spowodować uszkodzenie lub obrażenia ciała i system sterowania musi być zaprojektowany z myślą o tym. Jest to szczególnie ważne w protokołach przekazania łodzi opcjonalnie załogowych.

Częstym wyzwaniem, z jakim boryka się kontrola nad pojazdami bezzałogowymi, jest osiągnięcie płynnej reakcji od pełnej wstecz do pełnej naprzód. Statki z załogą zwykle zachowują się w pozycji zatrzymywanej, z szeroką strefą nieczułości wokół pozycji zatrzymania. Aby uzyskać dokładne sterowanie mechanizmem różnicowym, układ sterowania musi skompensować tę strefę nieczułości. Silniki spalinowe mają tendencję do przejeżdżania przez skrzynię biegów, z nieuniknioną nagłą zmianą, gdy skrzynia biegów włącza się, co system sterowania musi wziąć pod uwagę. Wyjątkiem są strumienie wody, które płynnie dostosowują się do punktu zerowego. Napędy elektryczne często mają wbudowaną podobną strefę nieczułości, więc ponownie system sterowania musi być zaprojektowany tak, aby zachować to zachowanie dla człowieka na pokładzie, ale wygładzić go w celu automatycznego sterowania, np. do manewrowania przy niskich prędkościach i dynamicznego pozycjonowania.

Oceanografia

USV używany w badaniach oceanograficznych , czerwiec 2011

USV są cenne w oceanografii , ponieważ mają większe możliwości niż zacumowane lub dryfujące boje pogodowe , ale są znacznie tańsze niż ich odpowiedniki pogodowe i statki badawcze , a także bardziej elastyczne niż wkłady statków handlowych . Szybowce falowe , w szczególności, wykorzystują energię fal do napędu pierwotnego, a dzięki ogniwom słonecznym do zasilania elektroniki, mają miesiące trwałości morskiej zarówno w zastosowaniach akademickich, jak i morskich.

Zasilane USV są potężnym narzędziem do wykorzystania w badaniach hydrograficznych . Używanie małego USV równolegle do tradycyjnych statków badawczych jako „mnożnika siły” może podwoić zasięg badań i skrócić czas spędzony na miejscu. Metodę tę wykorzystano w badaniach przeprowadzonych na Morzu Beringa, niedaleko Alaski; autonomiczny pojazd naziemny (ASV) ASV Global „C-Worker 5” zebrał 2275 mil morskich, co stanowi 44% całości projektu. Było to pierwsze w branży badań i przyniosło oszczędność 25 dni na morzu. W 2020 roku brytyjski USV Maxlimer przeprowadził bezzałogowe badanie dna morskiego na Atlantyku na zachód od kanału La Manche na 1000 kilometrów kwadratowych (390 ² ).

Wojskowy

Zastosowania wojskowe dla USV obejmują napędzane cele morskie i polowanie na miny. W 2016 roku DARPA wypuściła na rynek prototyp USV do zwalczania okrętów podwodnych o nazwie Sea Hunter . Turecka firma Aselsan produkowała USV dla tureckiej marynarki wojennej ; ALBATROS-T i ALBATROS-K Szybkie bezzałogowe łodzie do celów nawodnych są używane przez Tureckie Siły Morskie . Turcja opracowała również pierwszy rodzimy uzbrojony bezzałogowy statek nawodny (AUSV) o nazwie ULAQ (AUSV) . Opracowany przez Ares Shipyard , Meteksan Defense Systems i Roketsan . ULAQ (AUSV) jest uzbrojony w 4x Roketsan Cirit i 2x UMTAS . Pomyślnie zakończyła swój pierwszy test ogniowy 27 maja 2021 r. ULAQ może być rozmieszczany z okrętów bojowych. Można nim sterować zdalnie z pojazdów mobilnych, kwatery głównej, centrów dowodzenia i pływających platform. Będzie służył w misjach takich jak rozpoznanie, obserwacja i wywiad, wojna na powierzchni, wojna asymetryczna, uzbrojona eskorta, ochrona sił i strategiczne bezpieczeństwo obiektów. Prezes Ares Shipyard mówi, że w fazie rozwoju jest znacznie więcej różnych wersji ULAQ wyposażonych w różne uzbrojenie. Jego głównym użytkownikiem będą Tureckie Siły Morskie .

Ładunek

W przyszłości oczekuje się, że wiele bezzałogowych statków towarowych przepłynie wody.

Hodowla wodorostów

Bezzałogowe pojazdy naziemne mogą również pomóc w hodowli wodorostów i pomóc w obniżeniu kosztów operacyjnych.

Żaglowiec

Saildrone to rodzaj bezzałogowego powierzchni używana głównie w oceanach do gromadzenia danych. Żaglówki są zasilane wiatrem i energią słoneczną oraz wyposażone są w zestaw czujników naukowych i przyrządów nawigacyjnych. Mogą podążać za zestawem zdalnie wyznaczonych punktów nawigacyjnych. Żaglowiec został wynaleziony przez Richarda Jenkinsa , brytyjskiego inżyniera i poszukiwacza przygód. Żaglowce były używane przez naukowców i organizacje badawcze, takie jak Narodowa Administracja Oceaniczna i Atmosferyczna (NOAA), do badania ekosystemu morskiego, łowisk i pogody. W styczniu 2019 r. mała flota żaglowców została zwodowana, aby spróbować pierwszego autonomicznego opłynięcia Antarktydy. Jeden z żaglowców ukończył misję, pokonując 12 500 mil (20 100 km) w ciągu siedmiomiesięcznej podróży, gromadząc przy tym szczegółowy zestaw danych za pomocą pokładowych przyrządów monitorujących środowisko.

W sierpniu 2019 r. SD 1021 ukończył najszybszą bezzałogową przeprawę przez Atlantyk z Bermudów do Wielkiej Brytanii, a w październiku zakończył podróż powrotną, aby stać się pierwszym autonomicznym pojazdem, który przepłynął Atlantyk w obu kierunkach. University of Washington i spółka Saildrone rozpoczął joint venture w 2019 roku nazwał Saildrone Pacific Sentinel Eksperyment, który umieszczony sześć saildrones wzdłuż zachodniego wybrzeża Stanów Zjednoczonych, aby zebrać dane do atmosfery i oceanu.

Saildrone i NOAA rozmieściły pięć zmodyfikowanych statków klasy huragan w kluczowych lokalizacjach na Oceanie Atlantyckim przed czerwcowym początkiem sezonu huraganów 2021 . We wrześniu SD 1045 był na miejscu, aby uzyskać wideo i dane z wnętrza huraganu Sam . Był to pierwszy statek badawczy, który kiedykolwiek zapuścił się w środek potężnego huraganu .

Zobacz też

Bibliografia