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 śródlądowych promów pasażerskich. W ramach projektu wykorzystuje się prom „Warnowstromer”, który kursuje po rzece Warnow na trasie o długości 500 metrów w ruchliwym obszarze miejskim.

Trasa ta jest często uczęszczana przez turystów, statki handlowe i rekreacyjne, co czyni ją idealnym miejscem do testowania autonomicznej nawigacji promów, energooszczędnej eksploatacji oraz zaawansowanego rozpoznawania otoczenia. Ze względu na tę ciągłą aktywność prom działa w dynamicznym środowisku, w którym warunki ruchu mogą się szybko zmieniać. To sprawia, że trasa ta jest szczególnie cenna dla naukowców, którzy chcą badać, jak zautomatyzowane statki reagują na rzeczywiste sytuacje, a nie na kontrolowane środowiska testowe.

Cele klienta: Zapewnienie niezawodnej nawigacji autonomicznej

Projekt rozpoczął się od jasno określonej misji: opracowania systemu sterowania i sprzężenia zwrotnego, który mógłby wspierać funkcje automatycznej pomocy 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 nie jest wcale 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 wydajność.

Aby sprostać tym wyzwaniom, zespół potrzebował:

• Nawigacja zliczeniowa przez maksymalnie 5 minut, umożliwiająca poruszanie się pod mostami oraz w obszarach GNSS. IMU klasy taktycznej przy częstotliwości co najmniej 100 Hz.
• Kompas GPS wykorzystujący elastyczne podwójne anteny zintegrowane z modułem IMU.
• Parametry żyroskopu: 0,1°/√h, stabilność odchylenia 2°/h, 60 µg/√Hz oraz szum przyspieszenia 20 µg.

W związku z tymi wymaganiami zespół potrzebował systemu nawigacyjnego, który dostarcza precyzyjnych danych w czasie rzeczywistym i działa niezawodnie w zmiennych warunkach otoczenia.

Wdrożenie naszego rozwiązania nawigacyjnego na pokładzie autonomicznego promu

Zespół znalazł nas dzięki wyszukiwaniu w Internecie i szybko zorientował się, że nasze rozwiązania w zakresie nawigacji inercyjnej mogą spełnić jego potrzeby. Współpraca rozpoczęła się od zapytania ofertowego, a my ściśle z nimi współpracowaliśmy, aby zapewnić płynną integrację. Dostarczyliśmy zespołowi Ekinox Micro, naszGNSS klasy taktycznej, aby sprostać ich wysokim wymaganiom.

Korzystając Ekinox Micro, zespół mógł przejść od wstępnych testów do w pełni zautomatyzowanych funkcji, stosując uporządkowane, stopniowe podejście.

Najpierw zweryfikowali podstawowe operacje za pomocą joysticka, podczas gdy nasz system dostarczał precyzyjne dane dotyczące pozycji i orientacji. Ta początkowa faza pozwoliła zespołowi zweryfikować jakość danych nawigacyjnych i potwierdzić, że będą one w stanie obsłużyć bardziej zaawansowane funkcje automatyzacji w dalszej części projektu.

Następnie dodali kontrolę prędkości i pozycji, wykorzystując dane o wysokiej częstotliwości z podwójnej anteny GNSS przez Ekinox Micro. Pomogło im to dokładniej dostosować tor promu i automatyczne pozycjonowanie przy użyciu rzeczywistych pomiarów.

Integracja i testowanie

W trakcie integracji i testów szybki interfejs Ethernet naszego systemu oraz dostosowany do potrzeb protokół ułatwiły przekazywanie danych nawigacyjnych w czasie rzeczywistym do algorytmów sterujących. Ekinox Micro precyzyjne manewrowanie nawet w zmiennych warunkach otoczenia, pozwalając zespołowi skupić się na funkcjach autonomicznych bez konieczności stosowania rozwiązań zastępczych.

Operatorzy mogli bez obaw nadzorować autonomiczny prom, dysponując przez cały czas dokładnymi informacjami nawigacyjnymi o wysokiej rozdzielczości. Ciągła dostępność danych pozwoliła zespołowi na stopniową ocenę i ulepszanie funkcji autonomicznych, takich jak planowanie trajektorii i wykrywanie obiektów.

Zespół potrzebował bardzo niewielkiego wsparcia podczas integracji. Byli w stanie zainstalować i skonfigurować system w dużej mierze samodzielnie, korzystając z naszych zasobów dokumentacyjnych. Podsumowując to płynne doświadczenie, podzielili się następującą opinią:
„Wasza dokumentacja online i portal wsparcia pomogły zespołowi w szybkiej integracji waszego rozwiązania. Za każdym razem, gdy identyfikowaliśmy błąd, zespół wsparcia szybko dostarczał aktualizacje, aby zapewnić płynne działanie wdrożenia”.

Wyniki i dalsze działania

Dzięki zintegrowanemu systemowi nawigacyjnemu zespół dysponuje teraz stabilnym i niezawodnym źródłem danych dotyczących pozycjonowania i orientacji na potrzeby swoich testów. Pomogło to w dokładniejszej ocenie funkcji automatycznych oraz w dostosowaniu algorytmów sterowania przy użyciu rzeczywistych danych nawigacyjnych podczas prób przeprowadzonych na promie. Stanowi to również spójny punkt odniesienia do porównywania różnych scenariuszy testowych i stopniowego ulepszania działania systemu.

W przyszłości projekt będzie nadal ewoluował. Zespół planuje połączyć system nawigacyjny z czujnikami optycznymi, aby poprawić sposób, w jaki autonomiczny prom wykrywa i rozpoznaje otoczenie. Umożliwi to obsługę bardziej zaawansowanych funkcji autonomicznych i pomoże naukowcom zbadać, w jaki sposób zautomatyzowane promy lub statki mogą bezpiecznie poruszać się po ruchliwych miejskich drogach wodnych.

Podsumowując dotychczasowe prace, zespół w prosty sposób opisał swoje doświadczenia: Ekinox Micro najlepszy sprzęt czujnikowy do rozwoju autonomicznej żeglugi w obszarach miejskich”.

Projekt jest nadal w toku, ale dotychczasowe wyniki pokazują, w jaki sposób wiarygodne dane nawigacyjne mogą wspierać rozwój zautomatyzowanej eksploatacji promów w rzeczywistych warunkach.