Autonome Unterwasserfahrzeuge mit hybrider Kommunikation

Herkömmliche autonome Unterwasserfahrzeuge (AUV) sind groß und teuer in Herstellung und Wartung.

Genau an diesen Handicaps hat das schlesig-holsteinische Forschungs- und Entwicklungsprojekt „MAUS“ (Mobiles Autonomes Unterwassersystem) angesetzt. Die beiden entwickelten AUVs wiegen rund 50 Kilogramm, sind etwa 1,25 Meter lang, 56 cm breit und 40 cm hoch. Die kleinen AUVs eröffnen eine flexiblere Verwendung, können unkomplizierter transportiert werden. Um sie zu Wasser zu lassen, ist keine Kranvorrichtung an Bord von Forschungsschiffen nötig. Die Einsatzbereiche der AUVs sind vielfältig: Sie spüren Müll und Munitionsreste auf, überwachen Unterwasserbauwerke und inspizieren Hafenanlagen.

Eine schleswig-holsteinische Forschungsgruppe hat Prototypen kommunikations- und teamfähiger Unterwasserfahrzeuge entwickelt. Die beiden rund 50 Kilogramm schweren, autonomen Fahrzeuge (AUV) ergänzen sich in ihren Fähigkeiten und können getrennte Aufgaben erledigen. Das Verbundprojekt „MAUS“ (Mobiles Autonomes Unterwassersystem) wurde vom Land Schleswig-Holstein mit knapp zwei Millionen Euro im Rahmen des Landesprogramms Wirtschaft mit EFRE-Mitteln und Landesmitteln gefördert. 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.

Sie spüren Müll und Munitionsreste auf, überwachen Unterwasserbauwerke und inspizieren Hafenanlagen: Die Einsatzbereiche von Autonomen Unterwasserfahrzeugen, kurz AUV, sind vielfältig. Doch herkömmliche AUVs sind groß und teuer in Herstellung und Wartung. Genau an diesen Handicaps hat das Kieler Forschungs- und Entwicklungsprojekt MAUS angesetzt. Die beiden AUVs – Hänsel und Gretel genannt – wiegen 46 bzw. 50 Kilogramm und sind rund 1,25 Meter lang, 56 cm breit und 40 cm hoch. „Unsere kleinen AUVs eröffnen eine flexiblere Verwendung“, erklärt Projektleiterin Prof. Dr. Ing. Sabah Badri-Höher. „Sie können unkomplizierter transportiert werden. Um sie zu Wasser zu lassen, ist keine Kranvorrichtung an Bord von Forschungsschiffen nötig.“

Hänsel und Gretel ergänzen sich perfekt

In ihren Fähigkeiten ergänzen sich die beiden AUVs perfekt: Während es sich bei Hänsel um ein sogenanntes ‚Hover-Fahrzeug´ handelt, das mit Nahbereichssensoren ausgestattet ist, zeichnet sich, Gretel durch eine optimierte Fahrfähigkeit über lange Strecken aus. Im Einsatz fährt sie schnell voraus und erkundet mithilfe ihre akustischen Sensoren die Umgebung. Stößt Gretel beim Kartieren auf eine Anomalie, meldet sie deren Position selbsttätig an Hänsel und setzt anschließend ihre Kartierung fort. Hänsel macht sich seinerseits auf den Weg, um vor Ort mit den Nahbereichssensoren detailliertere Messungen vorzunehmen und die Anomalie zu dokumentieren. Die Sensorik ist für Wassertiefen bis 200 Meter ausgelegt.

Kommunikation basiert auf optischer und magnetischer Datenübertragung

Um kooperieren zu können, müssen die beiden AUVs kommunizieren. Die akustische Unterwasserkommunikation ist die einzig bekannte Technik, um kabellos Reichweiten jenseits von 100 m zu erreichen. Jedoch sind die Bandbreite und somit die erreichbare Datenrate akustischer Modems begrenzt. Insbesondere im Flachwasser ist die akustische Übertragung aufgrund von Mehrwegeausbreitung schwierig, erklärt Prof. Dr.-Ing. Peter Adam Höher von der Christian-Albrechts-Universität (CAU) zu Kiel: „Deshalb wurden an der CAU 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“, erklärt der Experte für digitale Kommunikationstechnik. Das akustische Modem stellt einen dauerhaften Kommunikationskanal mit einer Reichweite von etwa einem Kilometer bereit, während die optischen und magnetischen Modems eine hochratige Nahbereichskommunikation zwischen den Unterwasserrobotern ermöglichen. Dabei haben die Forschenden auch das Wohl der Meeresbewohner berücksichtigt. Hänsel und Gretel kommunizieren in einem für sie nicht wahrnehmbaren Frequenzbereich.

Neu entwickelte Software ermöglicht intuitive Missionsplanung und -steuerung

Ihre jeweilige Mission wird an Land bzw. auf einem Forschungsschiff mithilfe einer Software geplant und kontrolliert. Entwickelt wurde sie unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Erik Maehle am Institut für Technische Informatik der Universität zu Lübeck. Die Software ist als Webapp realisiert und kann über einen Browser auf verschiedenen Endgeräten wie Notebooks oder Smartphones aufgerufen werden. Die Kommunikation mit den Robotern erfolgt an der Oberfläche per Funk und unter Wasser mit Akustikmodems. Über eine grafische Benutzungsoberfläche kann u. a. auf einer Seekarte ausgewählt werden, welche Wege oder Flächen abgefahren werden sollen. Für die Flächen entwickelte das Lübecker Teilprojekt neuartige Verfahren zur automatischen und optimierten Pfadgenerierung, die eine vollständige Abdeckung eines Gebiets in möglichst kurzer Zeit erlauben. Zur Missionsdurchführung lässt sich die zuvor geplante Mission starten oder stoppen sowie speichern und laden. Ihre aktuelle Position zeigen die Roboter auf einer Karte an. Zudem ist die Visualisierung von Sensordaten wie z. B. Ladezustand der Batterien oder Wassertemperatur und -leitfähigkeit möglich. „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“, erklärt Maehle.

Aufgrund der vielfältigen Einsatzbereiche können die AUVs sowohl von Forschenden, der Privatwirtschaft als auch von öffentlichen Einrichtungen angefordert werden. „Ziel des MAUS-Projekts waren der Entwurf und die Entwicklung von zwei Fahrzeugen, die autonom in Kooperation Aufgaben im Wasser erledigen können. Und das haben wir erreicht“, erklärt Projektleiterin Badri-Höher. „Jetzt suchen wir Kooperationspartner, um Hänsel und Gretel in der Praxis zu erproben und die Arbeit an ihnen fortzusetzen.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Sabah Badri-Höher
E-Mail: sabah.badri-hoeher@fh-kiel.de

https://www.fh-kiel.de/news/unterwasserfahrzeuge-mit-autonomer-entscheidungsfindung-und-hybrider-kommunikation/

Video: Hänsel und Gretel – Autonome Unterwasserfahrzeuge