Badania nad autonomicznymi promami na rzeczywistych miejskich drogach wodnych

WarnowstromerAI to projekt badawczy prowadzony przez Uniwersytet w Rostocku, skupiający się na opracowywaniu wysoce zautomatyzowanych systemów wspomagających dla autonomicznych promów pasażerskich pływających po wodach śródlądowych. W ramach projektu wykorzystywany jest prom „Warnowstromer”, który przepływa rzekę Warnow na trasie o długości 500 metrów w ruchliwym obszarze miejskim.

Trasa ta jest często uczęszczana przez turystów, statki handlowe i rekreacyjne jednostki pływające, co czyni ją idealnym miejscem do testowania autonomicznej nawigacji promów, energooszczędnej eksploatacji oraz zaawansowanego rozpoznawania otoczenia. Ze względu na tę ciągłą aktywność prom porusza się w dynamicznym środowisku, w którym warunki ruchu mogą się szybko zmieniać. Trasa ta jest szczególnie cenna dla naukowców. Mogą oni badać, jak zautomatyzowane statki reagują na rzeczywiste sytuacje, a nie tylko w kontrolowanych warunkach testowych.

Cele klienta: Zapewnienie niezawodnej nawigacji autonomicznej

Projekt rozpoczął się od jasno określonej misji: opracowania systemu sterowania i sprzężenia zwrotnego, który mógłby wspierać zautomatyzowane funkcje wspomagające na promach śródlądowych. Zespół chciał stworzyć rozwiązanie, które można by zastosować nie tylko na jednym statku. Aby to umożliwić, wzięto pod uwagę nie tylko parametry techniczne, ale także aspekty ekonomiczne i regulacyjne. Celem jest zbudowanie systemu, który będzie działał bezpiecznie i wydajnie nawet w złożonych i nieustannie zmieniających się warunkach.

Od samego początku zespół programistów zdawał sobie sprawę, że dokładne i wiarygodne dane dotyczące pozycjonowania będą miały kluczowe znaczenie dla sprawnego działania automatyzacji. Na ruchliwym odcinku rzeki, gdzie pływa wiele statków, a wiatry i prądy są zmienne, precyzyjne dane nawigacyjne są absolutnie niezbędne.

Wyzwania techniczne

Autonomiczna eksploatacja promu wcale nie jest prosta. „Warnowstromer” porusza się wśród statków handlowych, łodzi sportowych, rekreacyjnych jednostek elektrycznych, a nawet pływaków. Osady, roślinność i pobliskie konstrukcje mogą ograniczać obszar, w którym prom może manewrować. Jednocześnie prom jest zasilany z akumulatora o ograniczonej pojemności, więc musi działać w sposób energooszczędny.

Te ograniczenia eksploatacyjne oznaczają, że systemy nawigacyjne i sterujące muszą być nie tylko precyzyjne, ale także niezawodne przez długi czas pracy. Każda niestabilność lub utrata informacji o położeniu może wpłynąć zarówno na bezpieczeństwo, jak i na wydajność.

Aby sprostać tym wyzwaniom, zespół potrzebował:

• Nawigacja Zliczeniowa przez maks. 5 minut, co umożliwia nawigację pod the mostami i w obszarach bez dostępu do GNSS. Wydajność IMU klasy taktycznej przy minimum 100 Hz.
• Kompas GPS wykorzystujący elastyczne podwójne anteny zintegrowane z IMU.
• Specyfikacja żyroskopu: 0,1°/√h, stabilność biasu 2°/h, 60 µg/√Hz oraz szum przyspieszenia 20 µg.

Wymagania te oznaczały, że zespół potrzebował systemu nawigacyjnego, który dostarcza precyzyjnych danych w czasie rzeczywistym i działa niezawodnie w zmiennych warunkach środowiskowych.

Wdrożenie naszego rozwiązania nawigacyjnego na pokładzie autonomicznego promu

Zespół odkrył nas poprzez wyszukiwanie w Internecie i szybko zauważył, że nasze rozwiązania z zakresu nawigacji inercyjnej mogą sprostać ich potrzebom. Współpraca rozpoczęła się od zapytania ofertowego, a my ściśle współpracowaliśmy z nimi, aby zapewnić bezproblemową integrację. Dostarczyliśmy zespołowi Ekinox Micro, nasz system INS/GNSS klasy taktycznej, aby sprostać ich wymagającym oczekiwaniom.

Korzystając z Ekinox Micro, zespół mógł przejść od początkowych testów do w pełni zautomatyzowanych funkcji w ustrukturyzowany, etapowy sposób.

Najpierw zweryfikowali podstawowe operacje za pomocą sterowania joystickiem, podczas gdy nasz system dostarczał precyzyjne dane o pozycji i orientacji. Ta początkowa faza pozwoliła zespołowi zweryfikować jakość danych nawigacyjnych i potwierdzić, że mogą one wspierać bardziej zaawansowane funkcje automatyzacji w dalszej części projektu.

Następnie dodali kontrolę prędkości i pozycji, korzystając z wysokoczęstotliwościowych danych z dwuantenowego odbiornika GNSS dostarczonego przez Ekinox Micro. Pomogło im to dokładniej korygować tor promu i automatyczne pozycjonowanie przy użyciu pomiarów z rzeczywistych warunków.

Integracja i testowanie

Podczas integracji i testów szybki interfejs Ethernet naszego systemu oraz dostosowany protokół ułatwiły przesyłanie danych nawigacyjnych w czasie rzeczywistym do algorytmów sterowania. Ekinox Micro umożliwił precyzyjne manewrowanie nawet w zmiennych warunkach środowiskowych, pozwalając zespołowi skupić się na funkcjach autonomicznych bez konieczności stosowania obejść.

Operatorzy mogli z pełną pewnością nadzorować autonomiczny prom, dysponując przez cały czas dokładnymi, wysok rozdzielczości informacjami nawigacyjnymi. Ciągła dostępność danych pozwoliła zespołowi krok po kroku oceniać i ulepszać funkcje autonomiczne, takie jak planowanie trajektorii czy wykrywanie obiektów.

Zespół wymagał minimalnego wsparcia podczas integracji. Dzięki naszym zasobom dokumentacyjnym udało im się zainstalować i skonfigurować system w dużej mierze samodzielnie. Podsumowując to bezproblemowe doświadczenie, stwierdzili: „Wasza dokumentacja online i portal wsparcia pomogły zespołowi szybko zintegrować Wasze rozwiązanie. Za każdym razem, gdy wykryliśmy błąd, zespół wsparcia niezwłocznie dostarczał aktualizacje, aby wdrożenie przebiegało bez zakłóceń.”

Wyniki i dalsze działania

Po zintegrowaniu systemu nawigacyjnego zespół dysponuje obecnie stabilnym i niezawodnym źródłem danych o pozycji i orientacji do swoich testów. Pomogło im to w bardziej precyzyjnej ocenie funkcji automatycznych oraz w dostosowaniu algorytmów sterowania przy użyciu rzeczywistych danych nawigacyjnych podczas prób promu. Zapewnia to również spójne odniesienie do porównywania różnych scenariuszy testowych i ulepszania zachowania systemu w czasie.

W przyszłości projekt będzie się nadal rozwijał. Zespół planuje połączyć system nawigacyjny z czujnikami optycznymi, aby usprawnić wykrywanie i zrozumienie otoczenia przez autonomiczny prom. Wspomoże to bardziej zaawansowane funkcje autonomiczne i pomoże badaczom w analizie, w jaki sposób autonomiczne promy lub statki mogą bezpiecznie operować na zatłoczonych miejskich szlakach wodnych.

Podsumowując dotychczasowe prace, zespół krótko wyraził swoje wrażenia: „Ekinox Micro to najlepszy czujnik wspierający rozwój autonomicznej żeglugi w obszarach miejskich”.

Projekt jest w toku, jednak dotychczasowe wyniki pokazują, jak niezawodne dane nawigacyjne mogą wspierać rozwój zautomatyzowanych operacji promowych w warunkach rzeczywistych.