07.06.2021

AGH Marines bada tajemnice morskich głębin


Powstało niecałe trzy lata temu, a na swoim koncie ma już kilka grantów i ambitne projekty. Studenckie Koło Naukowe AGH Marines, bo o nim mowa, działa przy Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Robotyki. Zajmuje się robotyką podwodną, badaniem głębin morskich oraz konstrukcją robotów podwodnych i eksplorujących. Członkowie koła prowadzą również działalność popularnonaukową, propagując wiedzę z zakresu robotyki podwodnej i lądowej oraz środowiska morskiego.


Jednym z najważniejszych projektów AGH Marines jest bezzałogowy, zdalnie sterowany pojazd podwodny typu mini ROV (Remotely Operated underwater Vehicle) o nazwie „Gupik”, z którym w tym roku studenci chcą wziąć udział w najbardziej prestiżowych zawodach robotów podwodnych na świecie MATE International ROV Competition.

Czym jest ROV

Roboty podwodne typu ROV od dawna znajdują zastosowanie, głównie w przemyśle morskim czy militarnym. W latach 1990–2010 były to głównie olbrzymie jednostki pracujące w sektorze naftowym, na głębokościach od kilkuset metrów do kilku kilometrów. Obecnie, dzięki miniaturyzacji, możliwe jest tworzenie mniejszych robotów, które mogą wyręczać nurków w pracach inspekcyjnych, serwisowych, manipulacyjnych oraz ratunkowych, zarówno w najtrudniejszych warunkach jak i przy rutynowych pracach. Pozwalają dotrzeć w miejsca niedostępne lub niebezpieczne dla człowieka i przeprowadzać tam skomplikowane działania. Robotów tego typu używają naukowcy, armatorzy statków, właściciele portów, marin, instalacji nadwodnych, nawodnych i podwodnych, służby ratunkowe, a także firmy oferujące usługi dla sektorów gospodarki związanych z wodą. Pojazdy ROV eksplorują głębiny w ramach badań geologicznych, biologicznych, środowiskowych czy archeologicznych. Rynek pojazdów ROV dynamicznie się rozwija, a firmy działające w tej branży poszukują innowacyjnych rozwiązań.

Mały, szybki, zwinny

„Gupik” będzie ważył nie więcej niż 20 kg, bezpiecznie zanurzy się na głębokość do 20 m, a morskie głębiny pomogą mu zbadać czujniki i kamery o wysokiej rozdzielczości. Manipulator 3D SpaceMouse firmy 3DConexxion zapewni intuicyjne sterowanie.

Do głównego pokładu konstrukcji przytwierdzone są najważniejsze komponenty pojazdu. Sercem robota jest wodoszczelna komora, w której znajdują się elektroniczne układy odpowiedzialne za komunikację, zasilanie, zbieranie danych z kamer, sterowanie napędami oraz wstępne przetwarzanie danych z czujników. Komunikację między tymi układami umożliwiają wysokiej jakości przewody podłączone do komory przez wodoszczelne złącza i uszczelniające dławnice. Komora została wykonana z poliamidu metodą druku 3D – SLS, a następnie zalakierowana, aby zapewnić odpowiedni kształt oraz wymaganą wodoszczelność.

Układ napędowy „Gupika” składa się z opracowanych przez studentów od podstaw pędników, które zapewniają o 50% wyższe parametry ciągu oraz efektywności energetycznej niż rozwiązania rynkowe. Zaprojektowano je przy użyciu oprogramowania SolidWorks dostępnego dzięki firmie DPS Software, a symulacje prowadzone były w oprogramowaniu ANSYS dostępnemu dzięki firmie MESco. Śruby pędników oraz dysze wykonano w druku 3D w technologii FDM przy użyciu niezwykle mocnego, nowoczesnego materiału, jakim jest nylon wzmocniony włóknem węglowym (PA12 + CF15), który dostarczyła firma Fiberlogy.

Jednym z najbardziej nowatorskich elementów pojazdu jest układ sterowania napędami, który zapewnia wektorowanie ciągu. Jest to rozwiązanie popularne w dużych jednostkach nawodnych, jednak niezwykle rzadkie w jednostkach podwodnych z uwagi na znaczne skomplikowanie algorytmiczne i wymagającą konstrukcję. Dwa z pięciu pędników umieszczone są na izolowanych od wody serwomechanizmach, które umożliwiają ich obrót, a pozostałe trzy zamontowano na sztywno do głównego pokładu. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest znaczne poprawienie sterowności pojazdu oraz bardzo duża redukcja zużycia energii elektrycznej.

Pojazd nie wymaga instalacji pneumatycznych bądź hydraulicznych, a wszystkie zastosowane komponenty zasilane są energią elektryczną, dzięki czemu „Gupik” zyskuje mniejszą masę i większą sprawność.

Młodzi konstruktorzy zastosowali pełną gamę dostępnych czujników: czujnik ciśnienia umożliwia pomiar głębokości, układ AHRS odpowiada za określenie orientacji oraz położenia przy pomocy nawigacji inercyjnej, termometry w mikrokontrolerach monitorują temperaturę wewnątrz pojazdu, a systemy elektroniczne odpowiadają za dokładny pomiar poboru mocy i przypisują odpowiednie parametry pracy napędów.

Opływowa obudowa „Gupika” została zaprojektowana od podstaw przez AGH Marines. Aby maksymalnie zredukować opór przepływu, a co za tym idzie zmniejszyć zużycie energii, wykorzystano nowoczesne techniki modelowania powierzchniowego oraz symulacje numeryczne. Wyzwanie było skomplikowane – roboty ROV poruszają się do przodu i do tyłu, w górę i w dół oraz na boki. Obudowa została wykonana w technologii druku 3D FDM z materiału ABS+.

Poza widocznymi modułami równie nowoczesny i innowacyjny jest system przetwarzania obrazu. Działa on na stacji kontrolnej, która steruje robotem. Autonomia pojazdu podczas wykonywania zadań wymaga, aby algorytmy przetwarzające, rozpoznające oraz interpretujące obraz były niezawodne i szybkie. Niezwykle pomocne okazało się stworzone w oprogramowaniu MATLAB środowisko do pracy nad algorytmami oraz autorskie oprogramowania stacji kontrolnej, w którym zaimplementowano algorytmy.

Aby przyspieszyć prace oraz umożliwić testowanie niektórych rozwiązań bez konieczności eksploatacji „Gupika”, studenci stworzyli wirtualne środowisko symulacyjne wiernie oddające zachowanie pojazdu. Opracowali także skomplikowany model matematyczny poruszania się w wodzie oraz odtworzyli warunki, w jakich na zawodach konkurować będą roboty. Daje to możliwość strojenia algorytmów sterowania i treningu operatora poza basenem.

 

Prace nad urządzeniem typu ROV są skomplikowane i wieloetapowe. Faza koncepcyjna pozwoliła ustalić plan działania. Następnie, wykorzystując najnowocześniejsze oprogramowanie oraz technologie programistyczne i konstruktorskie, studenci rozpoczęli przygotowywanie wirtualnych prototypów konstrukcji, oprogramowania oraz symulacji. To pozwoliło udoskonalić projekt. Po opracowaniu finalnych wersji modułów, rozpoczęło się wytwarzanie kolejnych komponentów konstrukcji, zamawianie części podzespołów, a także proces integracji systemów. Obecnie projekt jest na etapie końcowego montażu, testów i finalnych prób.

Wyzwania na zawodach

Zawody robotów podwodnych MATE International ROV Competition organizowane są przez Marine Advanced Technology Education (MATE) Center z siedzibą w Kanadzie. W zeszłym roku, z powodu pandemii, zawody odwołano. W tym roku zaplanowany na 5–7 sierpnia finał odbędzie się w formie hybrydowej (do wyboru udział zdalny bądź stacjonarny) w East Tennessee State University w USA.

Zawody są wieloetapowe, a kwalifikację do finału można uzyskać na dwa sposoby: uczestnicząc w konkursie regionalnym lub dostarczając organizatorom odpowiednio przygotowane materiały, m.in. specyfikację techniczną, oraz film pokazujący robota w akcji. AGH Marines skorzysta z tej drugiej możliwości. Wyniki kwalifikacji poznamy w połowie lipca.

Przed uczestnikami zawodów stawiany jest realny problem do rozwiązania. Taka formuła ma na celu nie tylko sprawdzenie wiedzy z zakresu inżynierii czy robotyki, ale także umiejętności współpracy, analitycznego myślenia oraz biznesowego podejścia. Startujące zespoły oprócz zaprojektowania i wykonania robota muszą przygotować dokumentację techniczną, sprawozdanie z przeprowadzonych prac oraz zaprezentować się przed jury.

Jeśli wyniki kwalifikacji okażą się pomyślne, „Gupik” wystartuje w kategorii explorer (pozostałe kategorie to: scout, navigator, ranger) i zmierzy się z zadaniami o dużym stopniu trudności i skomplikowania. A będą to:

  • obsługa i serwisowanie urządzeń do oczyszczania wód z plastikowych zanieczyszczeń oraz zbieranie większych odpadów;
  • autonomiczne przepłynięcie wzdłuż zadanej trajektorii, mapowanie i ocena stanu zdrowia rafy koralowej oraz powstrzymanie inwazji żarłocznych i drapieżnych rozgwiazd o nazwie korona cierniowa;
  • pobranie próbek z dna zbiornika, wykrycie typu zanieczyszczenia oraz odłowienie pułapki z węgorzami.

Wspólna pasja

Koło Naukowe AGH Marines powstało we wrześniu 2018 r. z inicjatywy studentów kierunku Inżynieria Mechatroniczna na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Robotyki: Filipa Dudka, Patrycji Lisak, Tomasza Małachowskiego i Mateusza Stemplewskiego. Założyciele koła interesowali się robotyką i światem podwodnym. Kiedy rozpoczęli studia, postanowili wspólnie realizować swoją pasję i projektować roboty podwodne. Obecnie koło liczy dziewięcioro członków, którzy działają w ramach trzech zespołów: programistów, elektroników i mechaników. Opiekunem naukowym AGH Marines jest dr hab. inż. Bartłomiej Borkowski, prof. AGH.

fot. KSAF AGH

W 2020 r. AGH Marines otrzymało Grant Rektora. W tym roku uzyskało dofinansowanie w konkursie Ministerstwa Edukacji i Nauki w ramach programu „Studenckie koła naukowe tworzą innowacje” oraz Grant Rektora ze środków projektu „Inicjatywa Doskonałości Uczelnia Badawcza”.

Członkowie AGH Marines z sukcesami brali udział w krajowych konferencjach, takich jak: STUKNUT „Osiągnięcia Studenckich Kół Naukowych Uczelni Technicznych” (Gdańsk, 2019), XXIII konferencja Inżynierii Akustycznej i Biomedycznej (Zakopane, 2019). Uczestniczyli również w Global OCEANS (Singapur, 2020) – największej na świecie konferencji związanej z nauką oraz technologią morską i oceaniczną. Studenci AGH wystąpili tam w panelu technicznym, a ich prezentacja znalazła się w opublikowanych materiałach pokonferencyjnych.

Szczegółowe informacje o AGH Marines:


Konsultacja merytoryczna
– AGH Marines. Zdjęcia i materiały graficzne udostępnione przez AGH Marines.