Diese autonomen Unterwasserfahrzeuge eröffnen ganz neue Möglichkeiten
Herkömmliche autonome Unterwasserfahrzeuge (AUV) sind groß, schwer, nicht so wendig und schwierig zu transportieren. Zudem ist ihre Entwicklung mit enormen Kosten verbunden. Zwei neue Unterwasserroboter lösen diese Probleme. Sie sind klein, leicht und flexibel einsetzbar.
Eine Forschungsgruppe hat Prototypen von kommunikations- und teamfähigen Unterwasserfahrzeugen entwickelt.
Foto: PantherMedia /vampy1
Autonome Unterwasserfahrzeuge (AUV) operieren selbstständig unter Wasser, ohne dass eine menschliche Besatzung an Bord ist. Zur Erfassung der Umgebung und zur Navigation sind sie mit verschiedenen Sensoren ausgestattet. Auf diese Weise können sie beispielsweise Daten über die Beschaffenheit des Meeresbodens, die Wassertemperatur, die Wasserqualität oder die Existenz von Lebewesen sammeln und mittels drahtloser Kommunikationssysteme an Forschungsstationen übermitteln. Daher sind autonome Unterwasserfahrzeuge für die Meeresforschung von großer Bedeutung. Darüber hinaus werden sie zur Überwachung von Unterwasserbauwerken, zur Suche von Bodenschätzen oder zum Schutz von Ökosystemen eingesetzt.
Doch bei dem Einsatz von AUVs gibt es ein Problem. Sie sind recht groß, schwer und daher wenig flexibel sowie schwierig zu transportieren. Um den Einsatz autonomer Unterwasserfahrzeuge zu erleichtern und neue Areale erschließen zu können, haben Forschende zwei neue AUVs entwickelt: Hänsel und Gretel wiegen gerademal 50 Kilogramm, sind 1,25 Meter lang, 56 Zentimeter breit und 40 Zentimeter hoch. „Unsere kleinen AUVs eröffnen eine flexiblere Verwendung“, sagt Sabah Badri-Höher, Projektleiterin des Forschungs- und Entwicklungsprojekts „MAUS“ (Mobiles Autonomes Unterwassersystem). „Sie können unkomplizierter transportiert werden. Um sie zu Wasser zu lassen, ist keine Kranvorrichtung an Bord von Forschungsschiffen nötig.“ Neben der Fachhochschule Kiel waren die Universität zu Lübeck, die Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) sowie die Firmen emma technologies GmbH und SubCtech GmbH an dem Projekt beteiligt.
Autonome Unterwasserfahrzeuge ergänzen sich
Neben der kleinen Größe und des geringen Gewichts bringen die autonomen Unterwasserfahrzeuge Hänsel und Gretel noch weitere Vorteile mit sich. Bei Hänsel handelt es sich um ein sogenanntes Hover-Fahrzeug, das mit Nahbereichssensoren ausgestattet ist. Dies ermöglicht dem AUV ein sicheres und flexibles Manövrieren, auch in flachen Gewässern oder Küstennähe, wo herkömmliche Wasserfahrzeuge häufig nicht hingelangen. Gretel hingegen wurde für Langstrecken entwickelt und verfügt über eine optimierte Fahrtfähigkeit. Mithilfe ihrer akustischen Sensoren erkundet sie die Umgebung. Stößt Gretel beim Kartieren auf ein Hindernis oder eine Anomalie, übermittelt sie diese Information inklusive der GPS-Daten an Hänsel und setzt ihre Erkundung weiter fort. Aufgrund der Nahbereichssensoren kann Hänsel eine detaillierte Messung der Anomalie vornehmen und alles genauestens dokumentieren. Auf diese Weise ergänzen sich die beiden AUVs perfekt und ermöglichen eine aufeinander abgestimmte, umfassende Erkundung eines bestimmten Unterwassergebietes. Die Sensorik von Hänsel und Gretel funktioniert in bis zu 200 Metern Wassertiefe.
AUV-Kommunikation erfolgt mittels Datenübertragung
Die Zusammenarbeit der beiden autonomen Fahrzeuge setzt eine weitreichende Unterwasserkommunikation voraus. Das Problem: Die Bandbreite und die erreichbare Datenrate von akustischen Modems, die zur drahtlosen Übertragung von Daten unter Wasser eingesetzt werden, sind begrenzt. „Deshalb wurden an der Christian-Albrechts-Universität (CAU) zu Kiel zwei innovative Nahbereichsmodems auf Basis optischer und magnetischer Datenübertragung entwickelt, implementiert und getestet. In Kombination mit einem akustischen Modem lassen sich so bisher unerreichte Möglichkeiten der Kommunikation und Navigation realisieren“, sagt Peter Adam Höher von der CAU. Während das akustische Modem einen dauerhaften Kommunikationskanal mit einer Reichweite von etwa einem Kilometer bereitstellt, ermöglichen die optischen und magnetischen Modems eine hochratige Nahbereichskommunikation zwischen den autonomen Unterwasserfahrzeugen. Die Meeresbewohner werden dadurch nicht gestört, da der Kommunikationsaustausch in einem für sie nicht wahrnehmbaren Frequenzbereich stattfindet.
Software ermöglicht Planung mit autonomen Unterwasserfahrzeugen
Bevor die autonomen Unterwasserroboter zum Einsatz kommen, wird ihre Mission mithilfe einer extra entwickelten Software geplant. Diese ist als Webanwendung konzipiert und kann über einen Browser auf verschiedenen Endgeräten wie Laptops oder Smartphones genutzt werden. Eine grafische Benutzeroberfläche zeigt die Seekarte, auf der die Nutzer auswählen können, welche Wege oder Gebiete von den autonomen Unterwasserfahrzeugen befahren oder erkundet werden sollen. Ein neues Verfahren zur optimierte Pfadgenerierung hilft dabei, ein bestimmtes Gebiet schnellstmöglich zu erkunden. Über die Software lassen sich dann die geplanten Routen starten, stoppen und speichern. Zudem kann die aktuelle Position der Roboter jederzeit auf der Karte eingesehen werden. Ebenso lassen sich die Sensordaten zum Batteriestand oder zur Wassertemperatur und -leitfähigkeit abrufen.
„Damit steht eine komfortable, intuitiv bedienbare und leicht erweiterbare graphische Benutzungsschnittstelle für die MAUS-Roboter zur Verfügung, die aber auch auf andere Unterwasserroboter übertragbar ist“, sagt Erik Maehle von der Universität zu Lübeck.
Das Ziel des MAUS-Projekts war es, zwei Fahrzeuge zu entwickeln, die autonom zusammenarbeiten können, um bestimmte Aufgaben unter Wasser auszuführen. Das Ziel haben die Forschenden erreicht. Nun suchen sie Kooperationspartner, um die Arbeiten an Hänsel und Gretel zu vertiefen und sie in der Praxis zu testen.
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