Conoce el Tentáculo de Kraken Autónoma LARS

Figura 1: la primera iteración del Tentáculo está diseñada para KATFISH de Kraken. (Imagen: Kraken)

Figura 2: Winch inteligente del tentáculo de Kraken (Imagen: Kraken)

Figura 3: Pantalla de muestra (Imagen: Kraken)

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Desde troncos de elefantes hasta patas de pulpo, la naturaleza está repleta de tentáculos expertos en la manipulación precisa.

En Kraken Robotics, queríamos ver qué podría enseñarnos la naturaleza sobre mejores métodos de manipulación para el lanzamiento y la recuperación de vehículos y equipos marinos. Inspirado por los circuitos de retroalimentación sofisticados y los tiempos de respuesta dinámicos encontrados en criaturas como el elefante, el pulpo y la medusa, e incluso en alguna planta carnívora ocasional, llevamos a cabo un programa de investigación y desarrollo de 18 meses sobre el diseño biomimético.

Entrar o salir del agua es, con mucho, la operación de mayor riesgo para cualquier equipo oceanográfico. Implica múltiples componentes dinámicos, impactados por la altura de las olas, los movimientos de los barcos, la dirección del viento y las corrientes. Como el equipo es delicado y costoso, se debe tener mucho cuidado durante su lanzamiento y recuperación.

Kraken's Handling Systems Group, con sede en Dartmouth, Nueva Escocia, encabezó el programa de I + D. Las lecciones que aprendimos y el conocimiento que adquirimos culminaron en el desarrollo del Sistema Autónomo de Lanzamiento y Recuperación de Kraken Tentacle (ALARS).

El Tentáculo de Kraken no es un sistema específico. Es una familia de tecnologías utilizadas para implementar soluciones de recuperación y lanzamiento modulares y escalables para una variedad de vehículos submarinos atados y sin ataduras. La primera iteración del Tentáculo está diseñada para el vehículo remolcado activamente estabilizado KATFISH (Fig. 1) de Kraken, cuya carga principal es el Sonar de Apertura Sintética AquaPix de Kraken. Las versiones futuras acomodarán otros vehículos también. Tras la finalización de su prueba final, esperamos lanzar el tentáculo en agosto de 2018

Al desarrollar un sensor integrado, una plataforma y LARS en casa, ofrecemos un paquete completamente operativo y confiable que es respaldado por un único proveedor y solo requiere energía eléctrica del buque anfitrión.

Tentáculo inteligente Winch
Los diseñadores de sistemas de manejo a menudo van a los fabricantes externos para el cabrestante y luego lo integran en su sistema de lanzamiento y recuperación. Al principio de la investigación para Tentacle, reconocimos que el cabrestante debería ser el corazón del sistema, con el potencial de proporcionar mucho más que solo el pago de cable y el carrete. Como principal impulsor en el proceso de lanzamiento y recuperación, el cabrestante podría diseñarse para compensar significativamente el movimiento del barco y el movimiento del vehículo.

Al igual que su homónimo en la naturaleza, el Tentáculo inteligente Winch puede parecer modesto desde el exterior, pero sus verdaderas capacidades se encuentran dentro. El módulo de control electrónico totalmente integrado alberga sofisticados algoritmos para el control manual dinámico, semiautónomo o totalmente autónomo del cabrestante. La unidad de referencia de movimiento integrada rastrea el movimiento del buque anfitrión y los sofisticados modelos de software a bordo y predice el estado del mar. Esto permite que el cabrestante prediga el tiempo de los picos y valles de onda y optimice el par variable en el motor para minimizar las perturbaciones de entrada a través del cable de remolque.

El operador puede lograr el control manual del Winch Tentacle ya sea a través de entradas de interruptor manuales similares a las de los sistemas tradicionales, o de forma remota a través de interfaces Ethernet y Wi-Fi seguras. Un modo semiautónomo permite una compensación dinámica de sobretensión (movimiento adelante / atrás) y elevación (movimiento hacia arriba / abajo) para minimizar las perturbaciones de entrada en el cable de remolque incluso en alta mar. Un modo completamente autónomo permite que el cuerpo de remolque KATFISH comande el cabrestante. A medida que aumenta o disminuye la profundidad del agua, KATFISH puede medir la profundidad de forma autónoma y ordenar al cabrestante que arrolle o pague. Esto permite una mayor seguridad, lo que permite maniobras de evitación de fondo totalmente automatizadas incluso en entornos dinámicos.

El Tentacle Winch está diseñado para ser inteligente y robusto. Cumple con los requisitos militares de choque y vibración de MIL-STD 901D, así como con los estrictos estándares internacionales de los códigos Lloyd's Register y DNV-GL. Es un sistema totalmente eléctrico, que proporciona tiempos de respuesta mejorados y elimina la necesidad de unidades secundarias de potencia hidráulica. Y puede integrarse en una amplia gama de embarcaciones, desde pequeñas embarcaciones de superficie no tripuladas hasta grandes buques de apoyo en alta mar.

Reflejos condicionados
En la naturaleza, a menudo escuchamos referencias a los reflejos y la memoria muscular de las criaturas, incluidos los humanos. Los reflejos se pueden definir ampliamente como una acción o acción que ocurre antes de que el cerebro esté consciente de los estímulos y se separe en dos categorías; reflejos de retirada y reflejos condicionados. En este artículo nos enfocaremos en este último.

Los reflejos condicionados, comúnmente denominados "memoria muscular", son reflejos adquiridos como resultado de la experiencia. En el caso de los humanos, un ejemplo es la captura de una pelota; como un niño, se nos enseña esta simple acción de tirar y atrapar jugando. Como adulto, cuando un humano es arrojado una pelota, instintivamente se estirarán para atraparla antes de que caiga al suelo, y los reflejos aseguran que los músculos de equilibrio estén tensados, y se realizan pequeños ajustes para compensar el peso esperado de la pelota. .

Para devolver nuestra analogía al ámbito de los equipos marinos, comparamos un operador humano de un cabrestante hidráulico estándar o LARS. Un joven marinero muy probablemente requiere una gran capacitación y tiempo en el mar para comprender la dinámica de los barcos y las interacciones con el océano. En contraste, un marinero bien experimentado con años de experiencia se ha "entrenado" a sí mismo para monitorear el movimiento del barco, las condiciones de las olas, el momento del lanzamiento o la recuperación del equipo con el período de las olas y el oleaje, a menudo sin pensar eso. Esta experiencia se puede comparar con un reflejo condicionado, en el que el ser humano realiza muchas acciones tan rápidamente que se ejecutan sin pensarlo conscientemente.

Son precisamente estos reflejos condicionados biológicamente los que intentamos imitar en el diseño del Winche Tentacle y encarnar en el Sistema de Control Tentacle.

compensación de movimiento
El objetivo principal de Tentacle Winch es aumentar la cobertura de rendimiento del lanzamiento, remolque y recuperación de una plataforma de sensores como el sistema KATFISH. Lo consigue reduciendo el acoplamiento de los movimientos de los vasos superficiales no deseados en la plataforma del sensor remolcado, que es esencial para mantener la estabilidad y la seguridad de la plataforma remolcada. Los sistemas de compensación de movimiento diseñados para el desacoplamiento de los movimientos de los buques se pueden controlar pasiva o activamente. Aunque los sistemas pasivos son típicamente más simples, están limitados en la frecuencia y magnitud del movimiento que pueden desacoplar y pueden causar problemas de resonancia debido a la frecuencia natural inherente del sistema de amortiguación pasiva (como en un amortiguador de resorte). Afortunadamente, con los avances en la tecnología de los sistemas de control, los sistemas activos se vuelven mucho menos complejos y menos costosos.

La mayoría de los sistemas activos compensan el movimiento vertical. Sin embargo, para pequeños recipientes de superficie como los USV, el movimiento de sobretensión puede ser un factor importante, especialmente cuando el camino, la distancia detrás del vehículo remolcador, es alto en comparación con la profundidad del cuerpo remolcado. Debido a esto, hemos diseñado el sistema Kraken para compensar el empuje y la sobrecarga.

Los tres tipos comunes de sistemas de compensación de movimiento determinan el movimiento en función de la posición de la polea del cable en el buque:

• Un sistema de roldana volante consiste en una roldana montada en un dispositivo de movimiento lineal tal como un cilindro hidráulico. El cable está envuelto 180 grados alrededor de esta polea, y el cilindro se mueve hacia adentro y hacia afuera, cambiando efectivamente la longitud del cable para compensar el movimiento del recipiente.
• Un sistema de brazo oscilante tiene una roldana sobre la cual pasa el cable, montada en el extremo de un brazo que se mueve hacia arriba y hacia abajo para compensar el movimiento del vaso.
• Un sistema de accionamiento de cabrestante toma la información de movimiento y luego paga o enrolla el cable para compensar el movimiento calculado de sobrevoltaje y sobrevoltaje.

El ALARS Tentacle emplea un sistema de accionamiento de cabrestante debido a la eficiencia general del espacio y la respuesta de magnitud ilimitada debido a la gran longitud del cable.

Sistema de control de tentáculos
El sistema de control de tentáculos dentro de los ALARS es tanto el cerebro como el sistema nervioso, detectando estímulos, procesando comentarios y generando acciones automáticamente. Consiste en dos componentes que operan en tándem; el sistema de control de bajo nivel (subconsciente) y los sistemas de control de operador de alto nivel (consciente). El sistema de control de bajo nivel es similar a los reflejos condicionados observados en la naturaleza y en los humanos, monitoreando los estímulos sensoriales y reaccionando casi instantáneamente sin pensarlo conscientemente. Cuatro características clave del sistema de control de bajo nivel son su Compensación Activa de Movimiento, Seguimiento de Terreno Activo, Tensión Constante y Render Automático. El módulo Active Motion Compensation (AMC) es la característica principal que separa el Kraken Tentacle Winch. Usando una serie de algoritmos patentados de seguimiento de movimiento y predicción de movimiento, el sistema AMC rastrea continuamente el movimiento (velocidad, orientación, posición) del barco anfitrión y el movimiento (velocidad, orientación, posición) del KATFISH, y calcula la velocidad necesaria y el par debe aplicarse al cabrestante y al cable de remolque para compensar los movimientos del buque. El módulo AMC funciona de manera autónoma, sin interacción humana o pensamiento consciente, y desacopla efectivamente el movimiento del vaso anfitrión del KATFISH, incrementando drásticamente la envoltura operacional del sistema KATFISH.

El módulo Active Terrain Following (ATF) permite que KATFISH comande el cabrestante. En este caso, KATFISH detecta que el lecho marino está subiendo o bajando y emite un comando al módulo ATF para ajustar automáticamente el alcance del cable para ayudar a KATFISH a seguir activamente el terreno. La velocidad del pago del cable o del enrollamiento se supervisa y ajusta, y en el caso de condiciones de emergencia tales como evitar el fondo, el cable puede ser enrollado a gran velocidad.

El módulo de tensión constante (CT), como su nombre lo indica, está destinado a mantener una tensión especificada constante en el cable de remolque. Esto se calcula en base a los comentarios del sensor de par en el motor y es muy efectivo para eliminar los impulsos de tensión repentinos en el cable de remolque debido a las olas o pequeñas sobretensiones. Este módulo también permite que el cabrestante mantenga el KATFISH en el cabezal de acoplamiento durante el inicio y la recuperación sin un mecanismo de captura adicional.

El módulo Auto Render (AR) proporciona una función de seguridad que permite que el sistema pague automáticamente el cable si la carga del remolque supera un umbral preestablecido. En el peor de los casos en que el cuerpo del remolque impacta en el lecho marino o se enreda en otro aparejo marino, este pago del cable puede ayudar a "liberar" el cuerpo del remolque y minimizar el riesgo de dañar el cuerpo del remolque, eliminando cualquier riesgo de rotura del cable.

El sistema de control de alto nivel es similar a las acciones conscientes de un operador humano, y permite controlar el lanzamiento, la implementación y la recuperación para que sea totalmente manual, remoto o autónomo. Diseñamos el sistema de control para que sea flexible, mediante el uso de comunicaciones Ethernet y Wi-Fi a lo largo de todo el sistema para que todo el sistema pueda integrarse fácilmente con otros sistemas a bordo. El sistema de control de alto nivel está compuesto por un panel de control del operador, un panel de control eléctrico, cabrestantes y motores de actuador, y una variedad de interruptores de límite y sensores para limitar el rango de movimiento y detectar el correcto lanzamiento y recuperación del KATFISH. El panel del operador consiste en una pantalla táctil, controles manuales e indicadores. La pantalla táctil (que se puede usar con guantes, en condiciones climáticas del mundo real) proporciona al operador los datos operativos actuales e históricos, la configuración de los parámetros operativos y las alertas y advertencias. El estado de los controladores autónomos se monitorea continuamente, y la información en tiempo real se transmite a través de las interfaces Ethernet y Wi-Fi. Los operadores pueden monitorear de forma inalámbrica el estado operativo y ver datos clave, como la dirección del cable, el alcance y la velocidad, y parámetros críticos como la temperatura del motor y la carga del cable.

Caracteristicas de seguridad
La seguridad es la prioridad número uno en cualquier operación marina, y Kraken se ha tomado esto en serio dentro del diseño del Tentacle. Aunque muchas criaturas pueden sobrevivir y volver a crecer miembros amputados, los humanos no son uno de ellos. El Tentacle Winch incluye una variedad de controladores autónomos y módulos inteligentes, todos los cuales priorizan la seguridad del operador humano y cualquier otro personal de cubierta por encima de todo.

Nos aseguramos de que las características de seguridad fueran claras y fáciles de usar. Cada panel de control tiene un interruptor de parada de emergencia (parada de emergencia); el panel del operador tiene un E-stop adicional que se puede conectar con un cable que vuela. Cuando se presiona E-stop, el sistema detiene inmediatamente el funcionamiento del motor y desconecta la energía de los motores. Una variedad de advertencias en el panel del operador también alertan al usuario sobre los parámetros que exceden los umbrales operativos preestablecidos. Una pila de luz movible con alerta audible proporciona una indicación visual y audible del estado de funcionamiento.

Aunque no tan rápido como las neuronas utilizadas en reflejos de retirada en la naturaleza, el Sistema de control Tentacle incluye un procesador en tiempo real y una matriz de puertas programables en el campo (FPGA) para respuestas de seguridad casi instantáneas y deterministas procesadas directamente en hardware. Esto garantiza que todas las características de seguridad y las cajas fuertes falleras reaccionen instantáneamente, independientemente del estado operativo del tentáculo

Desarrollo futuro
Creemos que el Sistema de Lanzamiento y Recuperación Autónomo Tentacle y la tecnología Intelligent Winch son una excelente plataforma para un mayor desarrollo. Es una combinación versátil de tecnologías habilitadoras clave, y cada una de esas tecnologías es fundamentalmente escalable para aplicaciones más grandes (o más pequeñas).

En un esfuerzo por imitar la memoria de un ser humano típico, la memoria integrada del Tentáculo Winch registra todos los datos de movimiento dentro del sistema y cualquier evento de movimiento significativo (sobre temperatura, exceso de torque, exceso de tensión, etc.). Estos datos pueden usarse para sintoniza automáticamente los módulos del sistema de control a través de técnicas de aprendizaje automático, mejorando los tiempos de respuesta y el rendimiento general, fomentando el acondicionamiento de los reflejos del tentáculo.

Un ejemplo de aplicación futura bajo consideración son los buques de suministro y otros buques que experimentan problemas de movimiento relativo. Estos buques se beneficiarían enormemente si el sistema de compensación de movimiento se aumentara con los datos de movimiento de una plataforma de objetivo flotante. El sistema podría entonces determinar el movimiento relativo entre el vehículo anfitrión y la plataforma objetivo y ajustar la longitud del cable para que el objetivo no vea movimiento relativo entre el extremo del cable y la plataforma. A medida que las tecnologías de control de movimiento más sofisticadas estén disponibles, pueden incorporarse fácilmente en el sistema Tentacle. Al igual que su homónimo en la naturaleza, el sistema es fuerte y flexible.

Ancho: 1,330 mm
Profundidad: 1,380 mm
Altura: 1,550 mm
Peso: 12 kN
Cable OD: 8-12 mm
Capacidad del cable: 2,000 m
Tire: 15 kN
Potencia: 440 3Ø

El autor
David Shea es vicepresidente de ingeniería de Kraken Robotic Systems Inc.

(Según lo publicado en la edición de junio de 2018 de Marine Technology Reporter )