Знакомство с щупальцем Kraken's Autonomous LARS

Рисунок 1: Первая итерация щупальца предназначена для KATFISH Kraken. (Изображение: Кракен)

Рисунок 2: Интеллектуальная лебедка Кракена Щупальца (Изображение: Kraken)

Рисунок 3: Пример отображения (изображение: Kraken)

Previous Next

От стволов слонов до ножек осьминогов природа изобилует щупальцами, которые умеют точно манипулировать.

В Kraken Robotics мы хотели узнать, что природа может научить нас лучшим методам манипуляции для запуска и восстановления морских транспортных средств и оборудования. Вдохновленный сложными циклами обратной связи и динамическими временами отклика, обнаруженными у таких существ, как слон, осьминог и медуза, и даже случайное плотоядное растение, мы осуществили 18-месячную программу исследований и разработок в биомиметическом дизайне.

Попасть в воду или выйти из нее - это, безусловно, операция с самым высоким риском для любой части океанографического оборудования. Он включает в себя несколько динамических компонентов, на которые влияют высоты волн, движения судна, направление ветра и токи. Поскольку оборудование является деликатным и дорогостоящим, необходимо проявлять большую осторожность во время его запуска и восстановления.

Группа Kraken Handling Systems Group, базирующаяся в Дартмуте, Новая Шотландия, возглавила программу исследований и разработок. Уроки, которые мы изучили, и полученные нами знания, привели к созданию системы автономного запуска и восстановления Kraken Tentacle (ALARS).

Кракенское щупальце не является одной конкретной системой. Это семейство технологий, используемых для создания модульных, масштабируемых решений для запуска и восстановления для различных привязанных и непривязанных подводных транспортных средств. Первая итерация щупальца рассчитана на активно стабилизированное буксируемое транспортное средство KATFISH (рис. 1), основной полезной нагрузкой которого является сонар Синтетическая апертура Kraken AquaPix. В будущих версиях будут размещаться и другие транспортные средства. После завершения своего окончательного тестирования мы ожидаем запуск щупальца в августе 2018 года

Разрабатывая интегрированный датчик, платформу и LARS в доме, мы предоставляем полностью работоспособный и надежный пакет, который поддерживается одним поставщиком и требует от электросети только электроэнергии.

Интеллектуальная лебедка щупальца
Дизайнеры систем обработки часто обращаются к сторонним производителям за лебедкой, а затем интегрируют их в свою систему запуска и восстановления. В начале исследования для щупальца мы узнали, что лебедка должна быть сердцем системы, с потенциалом обеспечить гораздо больше, чем просто выплата кабеля и наматывание. Как основной драйвер в процессе запуска и восстановления, лебедка может быть спроектирована так, чтобы значительно компенсировать движение судна и движение транспортного средства.

Как и его тезка в природе, Интеллектуальная лебедка щупальца может выглядеть непритязательной извне, но ее истинные возможности лежат внутри. Полностью интегрированный электронный модуль управления содержит сложные алгоритмы для динамического ручного, полуавтономного или полностью автономного управления лебедкой. Интегрированный блок управления движением отслеживает движение сосуда-хозяина, а также сложные модели программного обеспечения на борту и прогнозирует состояние моря. Это позволяет лебедке прогнозировать синхронизацию волновых пиков и желобов и оптимизировать переменный крутящий момент на двигателе, чтобы минимизировать входные помехи через кабель буксировки.

Оператор может осуществлять ручное управление винтом Tentacle Winch либо через ручные входы переключателя, аналогичные в традиционных системах, либо дистанционно через безопасные интерфейсы Ethernet и Wi-Fi. Полуавтономный режим позволяет осуществлять динамический всплеск (движение вперед / назад) и компенсацию движения (вверх / вниз) для минимизации входных помех на буксировочном тросе даже в открытом море. Полностью автономный режим позволяет кузову KATFISH управлять лебедкой. По мере того, как глубина воды увеличивается или уменьшается, KATFISH может самостоятельно измерять глубину и приказывать лебедке наматывать или выплачивать. Это позволяет повысить безопасность, позволяя полностью автоматизировать маневры с минимальным уклоном даже в динамических условиях.

Винтовка щупальца разработана как интеллектуальная и надежная. Он отвечает требованиям военного шок и вибрации MIL-STD 901D, а также строгим международным стандартам регистра Lloyd's и DNV-GL. Это полностью электрическая система, обеспечивающая улучшенное время отклика и устранение необходимости в дополнительных гидравлических силовых агрегатах. И он может быть интегрирован в широкий спектр судов, от небольших беспилотных надводных кораблей до крупных морских судовых кораблей.

Условные рефлексы
В природе мы часто слышим ссылку на рефлексы и мышечную память о существах, включая людей. Рефлексы могут быть широко определены как действие или действия, которые происходят до того, как мозг сознательно осознает стимулы и разделен на две категории; рефлексов отмены и условных рефлексов. В этой статье мы остановимся на последнем.

Условные рефлексы, обычно называемые «мышечной памятью», представляют собой рефлексы, которые были приобретены в результате опыта. В случае человека примером является уловка мяча; как ребенок, нас учат этому простому действию броска и ловли через игру. Как взрослый человек, когда человек бросает мяч, они инстинктивно протянут руку, чтобы поймать его, прежде чем он упадет на землю, и рефлексы гарантируют, что балансирующие мышцы напряжены, а крошечные корректировки сделаны для компенсации ожидаемого веса мяча ,

Чтобы вернуть нашу аналогию в сферу морской техники, мы сравниваем человека с обычной гидравлической лебедкой или LARS. Молодой декан, скорее всего, требует обширной подготовки и времени в море, чтобы понять динамику сосудов и взаимодействия с океаном. Напротив, хорошо опытный моряк с многолетним опытом «обучил» себя контролировать движение судна, волновые условия, время запуска или восстановления оборудования с периодом волн и набуханием, часто не задумываясь о Это. Этот опыт можно сравнить с условным рефлексом, в котором человек выполняет так много действий так быстро, что их исполняют без сознательного мышления.

Именно эти биологически обусловленные рефлексы мы стремились имитировать в дизайне щупальцевой лебедки и воплощались в систему контроля щупальца.

Компенсация движения
Основная цель Tintacle Winch заключается в увеличении огибающей производительности запуска, буксировки и восстановления сенсорной платформы, такой как система KATFISH. Это достигается за счет уменьшения сцепления нежелательных движений на поверхности судна с буксируемой сенсорной платформой, что необходимо для поддержания стабильности и безопасности буксируемой платформы. Системы компенсации движения, предназначенные для развязки движений судна, могут пассивно или активно контролироваться. Хотя пассивные системы, как правило, более простые, они ограничены по частоте и величине движения, которые они могут разделить, и могут вызывать резонансные проблемы из-за собственной собственной частоты пассивной системы демпфирования (например, в пружинной заслонке). К счастью, с развитием технологий систем управления активные системы становятся намного менее сложными и менее дорогими.

Большинство активных систем компенсируют движение петель. Однако для небольших надводных кораблей, таких как USV, импульсное движение может быть основным фактором, особенно когда тропа - расстояние позади буксирующего транспортного средства - высока по сравнению с глубиной буксируемого тела. Из-за этого мы разработали систему Kraken, чтобы компенсировать как всплеск, так и всплеск.

Три общих типа систем компенсации движения определяют движение, основанное на положении шкива кабеля на судне:

• Система летающих шкивов состоит из шкива, установленного на линейном устройстве движения, таком как гидравлический цилиндр. Кабель обернут на 180 градусов вокруг этого шкива, и цилиндр движется внутрь и наружу, эффективно изменяя длину кабеля, чтобы компенсировать движение судна.
• В системе кивок стрелы имеется шкив, по которому проходит кабель, установленный на конце стрелы, который приводится в движение вверх и вниз, чтобы компенсировать движение судна.
• Система привода лебедки берет информацию о движении, а затем платит или поворачивается в кабеле, чтобы компенсировать рассчитанное перемещение и всплеск движения.

Tentacle ALARS использует систему привода лебедки из-за общей эффективности пространства и неограниченную амплитудную реакцию из-за большой длины кабеля.

Система контроля щупальца
Система контроля щупальца в ALARS - это как мозг, так и нервная система, чувствительные стимулы, обработка обратной связи и генерирование действий автоматически. Он состоит из двух компонентов, которые работают в тандеме; низкоуровневую (подсознательную) систему управления и высокоуровневые (сознательные) системы управления оператором. Низкоуровневая система управления сродни условным рефлексам, наблюдаемым в природе и у людей, контролируя сенсорные стимулы и реагируя почти мгновенно без сознательной мысли. Четыре основные особенности системы управления низкого уровня - это Активная компенсация движения, активный ландшафт, постоянное натяжение и автоматический рендеринг. Модуль Active Motion Compensation (AMC) является основной функцией, которая отделяет Kraken Tentacle Winch. Используя серию патентованных алгоритмов отслеживания движения и прогнозирования движения, система AMC непрерывно отслеживает движение (скорость, ориентацию, положение) сосуда-хозяина и движение (скорость, ориентация, положение) KATFISH и вычисляет необходимую скорость и крутящий момент он должен применяться к лебедке и буксировочному тросу, чтобы компенсировать движения судна. Модуль AMC работает автономно, без человеческого взаимодействия или сознательного мышления, и эффективно отделяет движение судна-хозяина от KATFISH, резко увеличивая операционную оболочку системы KATFISH.

Модуль Active Terrain Next (ATF) позволяет KATFISH командовать лебедкой. В этом случае KATFISH обнаруживает, что дно поднимается или падает, и выдает команду модулю ATF для автоматической настройки области кабеля, чтобы помочь KATFISH активно следить за рельефом. Контролируется и настраивается скорость вывода кабеля или катушки, а в случае аварийных ситуаций, таких как предотвращение дна, кабель можно наматывать с большой скоростью.

Модуль Constant Tension (CT), как следует из названия, предназначен для поддержания постоянного заданного напряжения на буксировочном тросе. Это рассчитывается на основе обратной связи от датчика крутящего момента в двигателе и очень эффективно устраняет внезапные импульсы напряжения на буксировочном тросе из-за волн или небольших скачков. Этот модуль также позволяет лебедке удерживать KATFISH в стыковочной головке во время запуска и восстановления без дополнительного механизма захвата.

Модуль Auto Render (AR) обеспечивает отказоустойчивую функцию, которая позволяет системе автоматически выплачивать кабель, если нагрузка буксировки превышает заранее установленный порог. В худшем случае, когда тело буксира воздействует на морское дно или запутывается на других судах, эта выплата кабеля может помочь «освободить» тело буксира и свести к минимуму риск повреждения тела буксира, исключая риск повреждения кабеля.

Высокоуровневая система управления сродни сознательным действиям человека-оператора и позволяет контролировать запуск, развертывание и восстановление, чтобы быть полностью ручным, удаленным или автономным. Мы разработали гибкую систему управления, используя коммуникации Ethernet и Wi-Fi, поэтому вся система может быть легко интегрирована с другими системами на судах. Высокоуровневая система управления состоит из панели управления оператора, электрической панели управления, лебедки и приводных двигателей, а также различных концевых выключателей и датчиков для ограничения диапазона движения и обнаружения правильного запуска и восстановления KATFISH. Панель оператора состоит из сенсорного экрана, ручного управления и индикаторов. Сенсорный экран (который можно использовать с перчатками в реальных погодных условиях) предоставляет оператору текущие и исторические рабочие данные, конфигурацию рабочих параметров, предупреждений и предупреждений. Состояние автономных контроллеров постоянно контролируется, и информация в реальном времени передается по интерфейсам Ethernet и Wi-Fi. Операторы могут осуществлять беспроводное отслеживание рабочего состояния и просматривать ключевые данные, такие как направление кабеля, объем и скорость и критические параметры, такие как температура двигателя и нагрузка на кабель.

Функции безопасности
Безопасность является приоритетом номер один в любых морских операциях, и Кракен принял это близко к сердцу в рамках проекта щупальца. Несмотря на то, что многие существа могут выжить и восстановить расколотые конечности, люди не являются одним из них. Винтовка щупальца включает в себя множество автономных контроллеров и интеллектуальных модулей, которые определяют приоритетность безопасности оператора и любого другого персонала колоды, прежде всего.

Мы следили за тем, чтобы функции безопасности были четкими и простыми в использовании. Каждая панель управления имеет переключатель аварийной остановки (E-stop); на панели управления имеется дополнительный E-стоп, который может быть подключен к пролету. Когда нажата кнопка E-stop, система немедленно прекращает работу двигателя и отключает питание двигателей. Различные предупреждения на панели оператора также предупреждают пользователя о параметрах, которые превышают заданные рабочие пороговые значения. Подвижный световой стек со звуковым оповещением обеспечивает визуальную и звуковую индикацию рабочего состояния.

Хотя не так быстро, как нейроны, используемые в абстинентных рефлексах в природе, система управления щупальцами включает в себя процессор реального времени и программируемую полевую матрицу вентиляторов (ПЛИС) для почти мгновенных и детерминированных реакций безопасности, обрабатываемых непосредственно в аппаратных средствах. Это гарантирует, что все функции безопасности и отказобезопасности мгновенно реагируют независимо от рабочего состояния щупальца

Будущее развитие
Мы считаем, что автономная система запуска и восстановления щупальца и технология Intelligent Winch - отличная платформа для дальнейшего развития. Это универсальное сочетание ключевых технологий, и каждая из этих технологий принципиально масштабируется для больших (или меньших) приложений.

Стремясь подражать памяти типичного человека, встроенная память Tintacle Winch записывает все данные движения в системе и любые существенные события движения (по температуре, избыточному крутящему моменту, избыточному напряжению и т. Д.). Эти данные могут использоваться для автоматически настраивать модули системы управления с помощью методов машинного обучения, улучшая время отклика и общую производительность, что способствует обусловливанию рефлексов щупальца.

Одним из примеров будущей заявки, рассматриваемой, является судно снабжения и другие суда, которые испытывают проблемы относительного движения. Эти суда выиграли бы, если бы система компенсации движения была дополнена данными движения с плавающей целевой платформы. Затем система могла бы определить относительное движение между транспортным средством-хозяином и целевой платформой и отрегулировать длину кабеля, чтобы мишень не увидела никакого относительного движения между концом кабеля и платформой. По мере появления более совершенных технологий управления движением их можно легко включить в систему щупальца. Как и его тезка в природе, система сильная и гибкая.

Ширина: 1,330 мм
Глубина: 1,380 мм
Высота: 1,550 мм
Вес: 12 кН
Кабель OD: 8-12 мм
Емкость кабеля: 2000 м
Pull: 15 кН
Мощность: 440 3Ø

Автор
Дэвид Ши является вице-президентом по машиностроению, Kraken Robotic Systems Inc.

(Как было опубликовано в издании Marine Technology Reporter в июне 2018 года)