クラッケンの触手自律LARSに会いましょう

David Shea • 10 7月 2018

図1：触手の最初の反復はKrakenのKATFISHのために設計されています。（画像：クラケン）

図2：クラッケンの触手用インテリジェントウインチ（画像：クラッケン）

図3：サンプル表示（画像：Kraken）

象の幹からタコの脚まで、自然は触手で精巧に操作されています。

Kraken Roboticsでは、海洋車両や船舶の発進と復旧のためのより良い操作方法について自然がどのようなことを教えてくれるかを見たいと思っていました。エレファント、タコ、クラゲなどの生き物に見られる洗練されたフィードバックループとダイナミックな反応時間、および時折の肉食植物でさえ、我々は18ヶ月のバイオミメティックデザインの研究開発プログラムに着手しました。

水中に出入りすることは、海洋機器のいかなる部分に対しても、最高の危険を伴う操作です。波高、船体の動き、風向、および電流の影響を受ける複数の動的コンポーネントを含みます。機器は繊細で高価なので、立ち上げと復旧には細心の注意を払わなければなりません。

ノバスコシア州ダートマスに本拠を置くKraken's Handling Systems Groupは、研究開発プログラムを先導しました。私たちが学んだ教訓と私たちが獲得した知識は、クラーケンの触手自律発射システム（ALARS）の開発に絶大な貢献をしました。

クラッケンの触手は、一つの特定のシステムではありません。これは、さまざまな繋ぎ止めされた水中乗り物用のモジュラーでスケーラブルな発進と回復のソリューションを実装するために使用される一連の技術です。触手の最初の反復は、KrakenのKATFISH（図1）が積極的に安定化された牽引車用に設計されています。主な搭載荷重はKrakenのAquaPix Synthetic Aperture Sonarです。将来のバージョンでは他の車両にも対応します。最終試験の終了後、2018年8月に触手を打ち上げる予定です

統合されたセンサー、プラットフォーム、およびLARSを社内で開発することにより、単一のベンダーによってサポートされ、ホスト船からの電力のみを必要とする、完全に動作可能で信頼性の高いパッケージを提供します。

触手インテリジェントウィンチ
ハンドリングシステムの設計者は、ウインチの製造元に外出してから、ローンチと回収システムに組み込むことがよくあります。触手の研究の早い段階で、ウインチはシステムの心臓部であるべきであると認識し、単なるケーブルの払い出しとリールだけでなく、ウインチ船の動きと車両の動きを大きく相殺するように設計することができます。

自然界の名前のように、触手のインテリジェントウィンチは外からは見えないかもしれませんが、真の能力はその中にあります。完全に統合された電子制御モジュールは、ウィンチの動的手動、半自律または完全自律制御のための洗練されたアルゴリズムを搭載しています。統合されたモーションリファレンスユニットは、ホスト船の動きと高度なオンボードソフトウェアモデルを追跡し、海の状態を予測します。これにより、ウインチは波のピークと谷のタイミングを予測し、モーターの可変トルクを最適化してトウケーブルを通る入力障害を最小限に抑えることができます。

オペレータは、従来のシステムと同様の手動スイッチ入力、またはセキュアなイーサネットとWi-Fiインタフェースを介した遠隔操作のいずれかにより、触手ウィンチを手動で制御することができます。半自律モードでは、動的なサージ（前後の動き）とヒーブ（上下の動き）の補償が可能で、海中であってもトウケーブルの入力障害を最小限に抑えます。完全自律モードでは、カイトフィッシュの牽引体がウインチに命令することができます。水深が増減するにつれて、KATFISHは自律的に深度を測定し、ウインチを巻いたり、繰り出したりすることができます。これにより、安全性を高めることができ、動的環境下でも完全自動化されたボトム・アジャスト・マヌーバが可能になります。

触手ウィンチは、インテリジェントかつ堅牢に設計されています。それはMIL-STD 901Dの軍事的衝撃と振動の要求に加え、Lloyd's RegisterとDNV-GLコードの厳しい国際規格にも適合しています。完全な電気システムであり、応答時間が改善され、セカンダリ油圧パワーユニットの必要性が排除されます。また、小型無人地上船から大型オフショア支援船まで、幅広い船舶に統合することができます。

条件反射
自然界では、人間を含む生き物の反射や筋肉の記憶を参照することがよくあります。反射は、脳が意識的に刺激を知る前に起こる行動または行動として広く定義することができ、2つのカテゴリーに分けられる。撤回反射、および条件反射。この記事では、後者に焦点を当てます。

条件付き反射は、一般に「筋肉記憶」と呼ばれ、経験の結果として獲得された反射である。人間の場合、一例はボールのキャッチです。子供として、私たちは遊びを通して投げて引っ掛けるというこの単純な行動を教えられています。大人のとき、人間がボールを投げたとき、ボールが地面に落ちる前にそれを捕まえるために本能的に手を伸ばし、反射によるバランスのとれた筋肉の緊張を確実にし、ボールの予想重量を補うために微調整を行います。

私たちの類推を海洋機器の領域に戻すために、我々は標準液圧式ウインチまたはLARSの操作者を比較します。若いデッキハンドは、船舶のダイナミクスや海洋との相互作用を理解するために、海での大規模な訓練と時間を必要とする可能性が最も高い。対照的に、何年もの経験を持つよく味付けされた船員は、船舶の動き、波の状態、波や波の時代の設備の立ち上げや回復のタイミングを監視するために、自分自身を「訓練」しています。それ。この経験は、人間が意識的な思考なしに実行されるように多くの行動をすばやく実行している条件反射に似ています。

私たちが触手ウィンチのデザインを模倣することを目指し、触手制御システムに組み込まれたのは、これらの生物学的に調整された反射です。

動き補償
触手ウィンチの主な目的は、カトフィッシュシステムのようなセンサープラットフォームの打ち上げ、牽引および回収の性能エンベロープを高めることである。これは、牽引プラットフォームの安定性と安全性を維持するために不可欠である、牽引センサプラットフォームへの望ましくない表面血管運動の結合を低減することによってこれを達成する。血管運動の減結合のために設計された動き補償システムは、受動的にまたは能動的に制御することができる。パッシブシステムは一般的に簡単ですが、周波数と振幅の動きが限られており、パッシブダンピングシステムの固有の固有振動数（バネダンパーなど）のために、共振の問題を引き起こす可能性があります。幸運なことに、制御システム技術の進歩により、アクティブシステムはますます複雑化し、より安価になっています。

ほとんどの能動的システムは、ヒーブ運動を補償する。しかし、USVなどの小型船舶では、特に牽引車の背後の距離が牽引車の深さに比べて高い場合、サージモーションが主な要因になります。このため、クラッケンシステムは、盛り上がりとサージの両方を補償するように設計しました。

3つの一般的なタイプの動き補償システムは、船舶のケーブルシーブ位置に基づいて動きを決定します。

飛行シーブシステムは、油圧シリンダなどの直動装置に取り付けられたシーブからなる。ケーブルはこのシーブの周りに180度巻き付けられ、シリンダーは内外に移動し、ケーブルの長さを効果的に変えて船の動きを補う。
ノッディングブームシステムは、ケーブルが通過するシーブを有し、船の動きを補償するために上下に駆動されるブームの端部に取り付けられる。
ウインチ駆動システムは、運動情報を取り込み、計算された盛り上がりとサージ運動を補償するために、ケーブル内に繰り出しまたは巻き取る。

触角ALARSは全体的なスペース効率と大きなケーブル長による無制限の振幅応答のためにウインチ駆動システムを採用しています。

触手制御システム
ALARS内の触手制御システムは、脳と神経系の両方であり、刺激を感知し、フィードバックを処理し、自動的に行動を生成します。これは、タンデムで動作する2つのコンポーネントで構成されています。低レベル（潜在意識）の制御システム、および高レベル（意識的）なオペレータ制御システムを含む。低レベルの制御システムは、自然界や人間で観測された条件反射に似ています。センサー刺激を監視し、意識的な思考なしにほぼ即座に反応します。低レベル制御システムの4つの重要な特徴は、アクティブ動き補償、アクティブテレイン追従、一定張力および自動レンダリングである。アクティブ・モーション・コンペンセーション（AMC）モジュールはクラウン・テンタクル・ウインチを分離する主な機能です。 AMCシステムは、一連の独自のモーショントラッキングおよびモーション予測アルゴリズムを使用して、ホスト船の動き（速度、向き、位置）とKATFISHの動き（速度、向き、位置）を連続的に追跡し、必要な速度トルクは船の動きを補うためにウィンチおよびトウケーブルに適用する必要があります。 AMCモジュールは人間の相互作用や意識的な思考なしに自律的に動作し、ホスト船の動きをKATFISHから効果的に切り離し、KATFISHシステムの動作範囲を大幅に拡大します。

ATF（Active Terrain Following）モジュールにより、KATFISHはウインチに指令することができます。この場合、KATFISHは海底が上昇または下降していることを検出し、ATFモジュールにケーブルスコープを自動的に調整してKATFISHが地形に積極的に従うように指示します。ケーブルの繰り出しまたは巻き戻しの速度は監視され、調整され、ボトム回避のような緊急事態の場合には、ケーブルを高速で巻き戻すことができる。

定格張力（CT）モジュールは、その名前が示すように、牽引ケーブルに一定の一定の張力を維持することを意図しています。これは、モータのトルクセンサからのフィードバックに基づいて計算され、波や小さなサージによるトウケーブルの急激な張力インパルスを除去するのに非常に有効です。また、このモジュールを使用すると、ウィンチは、追加の取り込み機構を使用せずに、起動時および回復時にドッキングヘッドにKATFISHを保持することができます。

自動レンダリング（AR）モジュールは、トウロードがあらかじめ設定されたしきい値を超えた場合に、システムがケーブルを自動的に払い出すことを可能にするフェイルセーフ機能を提供します。曳航体が海底に衝突したり、他の海洋機器に巻き込まれたりする最悪の場合、このケーブル払い出しは、牽引車体を「フリー」にし、牽引車の損傷リスクを最小限に抑え、ケーブル破損の危険性を排除します。

高度な制御システムは、人間のオペレータの意識的な行動に類似しており、発射、配備および回復を完全にマニュアル、遠隔または自律的に制御することを可能にする。私たちは、システム全体を他の船舶システムと容易に統合できるように、イーサネットとWi-Fi通信を使用して柔軟に制御システムを設計しました。高レベルの制御システムは、オペレータ制御パネル、電気制御パネル、ウインチおよびアクチュエータモータ、および様々なリミットスイッチおよびセンサで構成され、動作範囲を制限し、KATFISHの正しい起動および回復を検出します。オペレーターパネルは、タッチスクリーン、マニュアルコントロール、およびインジケーターで構成されています。タッチスクリーン（現実の気象条件で手袋と共に使用することができる）は、オペレータに現在および過去の運転データ、運転パラメータの設定、警告および警告を提供する。自律コントローラのステータスは継続的に監視され、リアルタイム情報はイーサネットおよびWi-Fiインターフェイスを介してブロードキャストされます。オペレータは、ワイヤレスで動作状況を監視し、ケーブルの向き、範囲、速度、モータ温度やケーブル負荷などの重要なパラメータなどの重要なデータを表示できます。

安全機能
あらゆる海洋作戦において安全は優先順位1位であり、クラッケンは触手のデザインの中でこれを心に抱いています。多くの生き物は生き残り、切断された手足を再成長することができますが、人間はそれらの一つではありません。触手ウィンチには、様々な自律コントローラとインテリジェントモジュールが含まれています。これらのすべてが、人間のオペレータや他のデッキの人員の安全性に優先しています。

私たちは、安全機能が明確かつ使いやすいものであることを確認しました。各コントロールパネルには非常停止（E-ストップ）スイッチがあります。オペレーターパネルにはフライングリード上に接続できる追加のE-ストップがあります。 E-ストップを押すと、直ちにモーターの動作が停止し、モーターの電源が切断されます。オペレーターパネル上のさまざまな警告は、あらかじめ設定された操作のしきい値を超えるパラメータをユーザーに警告します。可聴警告を伴う可動ライトスタックは、動作状態の視覚的および可聴的な表示を提供する。

触感制御システムには、自然界で撤回反射に使用されるニューロンほど高速ではありませんが、ハードウェアで直接処理されるほぼ即時の決定論的安全応答のためのリアルタイムプロセッサとフィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）が含まれています。これにより、触手の操作状態にかかわらず、すべての安全機能とフェイルセーフが瞬時に反応します。

将来の開発
触手自律発射システムとインテリジェントウインチ技術は、さらなる開発のための優れたプラットフォームと考えています。これは主要な有効化技術の多彩な組み合わせであり、これらの技術のそれぞれは、大規模（または小規模）のアプリケーションに対して基本的にスケーラブルです。

典型的な人間の記憶を模倣するために、触手ウィンチのオンボードメモリは、システム内のすべての動作データおよびあらゆる重要な運動イベント（温度、超過トルク、過剰張力など）を記録する。このデータは、応答時間と全体的なパフォーマンスを向上させ、触手の反射を調整することで、機械学習技術によって制御システムモジュールを自動的に調整します。

考慮されている将来の適用例の1つは、供給船および相対運動問題を経験する他の船である。これらの船舶は、移動補償システムが浮動目標プラットフォームからの動作データによって増強された場合、大きなメリットをもたらす。次いで、システムは、ホスト車両とターゲットプラットフォームとの間の相対的な動きを決定し、ターゲットがケーブル端部とプラットフォームとの間に相対運動を見ないようにケーブル長さを調整することができる。より洗練されたモーションコントロール技術が利用可能になると、それらを触手システムに容易に組み込むことができます。自然界の名前のように、このシステムは強くて柔軟性があります。

幅： 1,330 mm
奥行き： 1,380 mm
高さ： 1,550 mm
重量： 12 kN
ケーブル外径： 8-12 mm
ケーブル容量： 2,000m
プル： 15 kN
電源： 4403Ø