氷の下で探検する（＆AUVを一体に保つ）

写真：International Submarine Engineering Ltd.

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タスマニア大学が、南極ゲートウェイパートナーシップの一環として、ISEで構築したAUVヌピリムカを南極に送ってから、2019年12月が1周年を迎えました。そこにいる間、ソルダール氷河の下で多くの調査ミッションを成功裏に完了しました。この成果を祝うために、今年の勝利ラップに送り返すことよりも素晴らしい方法です！

氷上でのミッションは難しいことで有名です。ISEは、極地に車両を送り始めてから25年以上の間に豊富な経験を積み上げてきました。最新の南極ミッションに加えて、ISEのAUVは北極に何度も行きました。特に、カナダのProject Cornerstone向けに作成されたISEの2つのAUVは、2010年に1000 kmの氷下調査を完了し、Project Spinnaker ISEで構築されたTheseusには100 kmの光ファイバーケーブルを敷設しました。

多数の要因がこれらの成功した運用につながりました。この記事では、極地の氷の下で働くことの固有の危険性とそれらがどのように軽減されたかについて説明します。

なぜAUVミッションの下で挑戦しているのですか？
AUVが下降して未知の地域を探索するたびに、 写真：International Submarine Engineering Ltd.が失われる可能性があります。 AUVでさえ、海は友好的な場所ではありません。ナビゲートする地形は、高解像度で部分的にのみマップされます。私たちは海底についてよりも火星の表面について多くのことを知っています。これは、リスクを最小限に抑える方法があるということです。たとえば、表面には常に安全があります。 AUVを非常に軽くして非常に浮力が高くなるように設計すると、AUVは非常時に浮上することができます。 AUVには、障害物や海底自体を回避するための一連のセンサーも搭載されているため、AUVの位置は、USBLトラッキングでほとんど常に認識され、経由で通信できます手術中の音響通信。これにより、パイロットは重要な決定を下し、AUVを安全に保つことができます。

氷の下でのミッションが難しいのはなぜですか？
極地の氷の下にいると、失敗の結果が非常に高くなります。あなたはもう戻るための表面の安全策を持っていません、地形についてはあまり知られておらず、AUVとの通信がないことに制限されています。困難に遭遇したときはいつでも、人間の介入なしに、それ自体で回復できるシステムが必要です。

さらに、USBLトラッキングはうまく機能しません。何かがうまくいかない場合は、AUVがどこにあるかわかりません。回復できない可能性があります。数百万ドルの資産を失うだけでなく、次にそれを改善するために何が悪かったのかを知ることはできません。

ミッションが成功した後でも、南極大陸への旅でヌピリ・ムカが発見したように、回復は確かなことではありません。毎日、車の大きさの浮かぶ氷山に満ちた海を経由して、デイビス駅に戻る必要がありました。

調査場所への唯一のアクセスは、コーナーストーンミッションで経験したように、1日に数キロメートル移動する氷の小さな穴を経由する場合があります。

これは、ミッション計画が正しいこと、AUVがすべての状況に適切に対応できることを保証することに大きな圧力をかけます。

写真：International Submarine Engineering Ltd. 余分なリスクをどのように軽減しますか？

高度な自律性：表面の相対的な安全性がなければ、これはISEがAUVを安全に保つために使用する主なツールです。これにより、AUVはミッション計画のさまざまな段階で状況に応じた意思決定を行うことができます。緊急事態が発生し、最も安全なルートを介してミッションを中止する必要がある場合など、ミッションを中断してAUVの目的を変更できるシナリオが多数あります。設定されたパラメーターに基づいて、AUVは最適なパラメーターがどこにあるかを判断できます。手術の初期段階では、障害物が最小限に抑えられるため、これは簡単ですが、氷の下の未知の領域では、最も安全なオプションは、他の短いオプションよりも来た道を返すことです。ソルダール氷河の下では、これはまさにヌピリ・ムカが装備された種類の自治です。氷河は沿岸にあるため、浅い水が動きを制限する可能性のある場所がたくさんあるため、水の深さに基づいて行動を変えることができることが不可欠です。

さらに、AUVのセンサーの1つが故障した場合、故障の重大度に応じていくつかの方法で反応する可能性があります。バックアップセンサーに切り替えるか、帰宅することができます。その他の重要な自律機能には、エネルギーレベルの監視、バッテリーが切れる前にAUVが家に戻ることの確認が含まれます。さらに、ミッションの各セクションに地理的な境界とタイマーを設定することで、セグメントを完了するのに時間がかかりすぎたり、ミッションの領域から出たりする場合にAUVが確実に反応できるようになります。

堅牢なハードウェア：適切なハードウェアを持つことは、リスクを軽減するもう1つの重要な方法です。たとえば、nupiri mukaにはマルチビーム障害物回避ソナーが装備されていて、その前にあるものだけでなく、その下と上にあるものも見ることができました。その回避アルゴリズムは、障害物がどこにあるかに応じて適切に反応するように設計されました。これは、単に右starを上昇および旋回させることは必ずしも安全な選択肢ではないためです。

航海の精度を向上させるために、ヌピリムカには、海底に続くものに加えて、氷を追跡するためのDVLも装備されていました。これがないと、位置の精度がすぐに失われ、帰宅できない場合があります。車両には、AUVが表面の氷に近い状況での通信を改善するために、下向きの追加の音響モデムもありました。パイロットがAUVを支援できるほど、成功の可能性が高くなります。

Project Cornerstoneの場合、AUVは1日に数キロメートル移動する氷の穴から展開されました。車両には、100 km離れた場所からでも家に帰る道を見つけるのに役立つホーミングシステムが装備されていました。また、氷の下に駐車し、ROVが最終的な距離を氷穴まで運ぶ能力を与えるために、可変バラストシステムが装備されていました。打ち上げと復旧のリスクを最小限に抑えるために、これらのAUVには充電とデータのダウンロード用の水中コネクタも装備されていました。
このハードウェアはすべて、信頼性を確保するために長年使用されている成熟した設計である、真正なものである必要があります。 1つのシステムに障害が発生しても、ミッションを実行または停止する可能性があります。

成功へ。
ご覧のように、アイスミッションで成功するために多くの貢献者がいました。議論されたほとんどは車両自体にありましたが、必要な計画と経験も覚えておくことが重要です。車両が送り出されるたびに、そのミッション計画は、極地の経験を持つ個人によって慎重にレビューされる必要があります。これを念頭に置いて-いくらかの血、汗、涙、そしておそらく少しの幸運-将来、より多くの成功した極地ミッションが行われない理由はありません。

作家たち
International Submarine Engineering Ltd.のLuke Alden BScメカニカルデザイナー。Lukeはエンジニアリングで10年以上の経験があります。 ISEに在籍中、AUVにカメラを統合するなど、多くの設計プロジェクトに携わってきました。

Luke AldenアレックスジョンソンPEng International Submarine Engineering Ltdの機械部マネージャー。アレックスは、ISEでの12年間に3000mおよび6000mのExplorer AUVビルドと複数のAUVシステムの設計を管理しました。

アレックス・ジョンソン