Teilprojekt 5: Entwicklung eines einsatzfähigen autonomen USV

Teilprojektleiter Prof. Dr.-Ing. Holger Korte
Teilprojektmitarbeiter Yves Wagner, B.Eng.
Chen Zhang, M.Sc.
Dennis Grunert, M.Eng.
Benjamin Zerhusen, B.Sc.
Teilprojektvolumen 440.240 €
Fördermittelgeber Nds. Ministerium für Wissenschaft und Kultur - VW-Vorab/Wissenschaft für nachhaltige Entwicklung
Teilprojektlaufzeit 01/2017 bis 12/2020

Im Teilprojekt 5 werden Elektronikkomponenten für ein unbemanntes Überwasserfahrzeug (Unmanned Surface Vehicle, USV) entwickelt, das als Kommunikations- und Versorgungsplattform für die anderen EITAMS-Teilprojekte verwendet wird (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: 3D-Ansicht mit den Bestandteilen der ersten Ausbaustufe des USV
Abbildung 1: 3D-Ansicht mit den Bestandteilen der ersten Ausbaustufe des USV
Abbildung 2: Das USV wird am Versuchstag am 23.4.2018 zu Wasser gelassen
Abbildung 2: Das USV wird am Versuchstag am 23.4.2018 zu Wasser gelassen

Da unter Wasser keine satellitenbasierten Navigationsverfahren wie das Global Positioning System (GPS) nutzbar sind, wird hier durch Relativ-Ortungssysteme die relative Position der Unterwasserfahrzeuge zum Überwasserfahrzeug ermittelt. Ihre Integration führt zum ersten Projektziel, einer hochgenauen Positionierung der Unterwasserfahrzeuge.

Im Projekt wird zweitens eine gekoppelte Erprobungsplattform entwickelt, die sowohl kabelgebundene Fahrzeuge führt, als auch später für ferngelenkte Fahrzeuge genutzt werden kann. Dadurch soll eine Synergie kleiner werdender Elektronik mit modernen Autonomieverfahren erzielt werden, indem Payload der Unterwasserfahrzeuge auf das USV verlagert wird.

Da funkbasierte Telemetrie sich unter Wasser nur sehr eingeschränkt nutzen lässt, dient das USV drittens als Gateway zu über Wasser verfügbaren Kommunikationsnetzen (Mobil-, See- und Satellitenfunk, Wi-Fi). Je nach Bandbreite lassen sich so Telemetrie- und/oder Messdaten zum Operation Center übertragen. Als Alternative zur direkten Übertragung können Messdaten auch zwischengespeichert werden.

Abbildung 3: Das USV bei Rolldämpfungsversuchen
Abbildung 3: Das USV bei Rolldämpfungsversuchen

Moderne Regelungstechnik soll dem USV ermöglichen, alleine oder im Verbund fernüberwacht Missionen durchzuführen. Hierzu muss im Rahmen des Teilprojekts neben der Entwicklung missionstypischer Regelungsalgorithmen auch das Fahrzeug parametriert werden, damit optimale Regelungsergebnisse erreicht werden können. Eine präzise Zustandserfassung durch Einbeziehung neuer Sensortechnik ermöglicht eine hochgenaue Regelung der Fahrzeugbewegungen. Insgesamt wird eine komponentenübergreifende Systemautonomie der ROV und des USV angestrebt. 

Um die Grundfunktionen des USV-Systems für die anderen Teilprojekte zu ermöglichen, wurde zu Beginn des Projekts nach der Konzeption (siehe Abbildung 1) mit dem realen Aufbau und der Integration der Komponenten begonnen. Hierfür wurde eine Architektur mit den drei Ebenen Aktorik, Controller und Sensorik entwickelt. 

Die Aktorikebene beinhaltet die Motoransteuerung, eine Backup-Funkfernsteuerung sowie einen selbstentwickelten Receiver für den Empfang der Ansteuerungsbefehle nach NMEA-Standard 0183 (Standard der National Marine Electronics Association (NMEA)) über das USV-eigene Netzwerk. Der ebenfalls selbstentwickelte NMEA-Transceiver, der den Sensordatenstrom zentralisiert und diesen nach NMEA-Standard ebenfalls ins USV-eigene Netzwerk sendet, repräsentiert die Sensorebene. Bisher wurden auf der Sensorebene GPS, RTK-GPS (Real-Time-Kinematic), Tiefensonar, Low-Cost-IMU (Inertial Measurement Unit), hochgenaue IMU (MEMSIC AHRS440), Magnetometer, Gyroscope und das USBL-System (Ultra Short Baseline) zur Unterwasserortung und Kommunikation integriert und erprobt. Die Controllerebene wird zurzeit noch mit dem Linuxbordrechner, welcher auch die RTK-Berechnungen vollzieht, repräsentiert.

Abbildung 4: Das USV bei einer Parameterfahrt am 18.10.2017
Abbildung 4: Das USV bei einer Parameterfahrt am 18.10.2017

Um die Parameter für Bewegung und Aktorik zu ermitteln, wurden Rolldämpfungsversuche (siehe Abbildung 3) sowie verschiedene Parameterfahrten im Manöverbecken des Fachbereichs Seefahrt und Logistik in Elsfleth, im Sportboothafen Elsfleth (siehe Abbildung 4) und im Trainingsbecken des Maritimen Kompetenzzentrums Elsfleth (siehe Abbildung 2) durchgeführt.

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