Meeresroboter erkennen seismische Wellen
Akustische seismische Messungen werden üblicherweise mit einem Fahrzeug durchgeführt, das eine Reihe von Messvorrichtungen – flexible, mit Hydrophonen ausgestattete Kabel – und eine oder mehrere Schallquellen mit sich führt. Diese leistungsstarken Schallquellen erzeugen seismische Wellen unter der Erdoberfläche, die wiederum von Hydrophonen empfangen werden, wenn die Wellen von unterirdischen Formationen abprallen. Seismische Messvorrichtungen sind typischerweise äußerst sperrig und die präzise Steuerung ist schwierig. Neue Entwicklungen haben gezeigt, dass Gruppen zusammenarbeitender Meeresroboter ein immenses Potenzial für eine drastische Verbesserung der Erforschung und Erschließung der Meere bieten. Das oberste Ziel des EU-finanzierten Projekts WiMUST ist die Erweiterung und Optimierung der Funktionen aktueller zusammenarbeitender Meeresrobotersysteme gewesen. Das Projekt führte eine Gruppe von Forschungsinstitutionen, Unternehmen für geophysikalische Messungen sowie kleine und mittlere Unternehmen mit Kenntnissen in autonomen Systemen, Meeresrobotik, Kommunikation, Navigation und kooperative Steuerung zusammen. Ein Schwarm autonomer Unterwasserrobotern Die Forschung war auf die technische Herstellung einer intelligenten, dezentralen Unterwasseranordnung von Meeresrobotern für seismische Schallmessungen ausgerichtet. „Die Neuheit von WiMUST ist die Verwendung von Meeresrobotern zur Erfassung seismischer Daten anstelle konventioneller mitgeführter Quellen und Kabel. Die Vision des Projekts war die Entwicklung eines Teams von zusammenarbeitenden autonomen Meeresrobotern, die als intelligente Sensorik- und Kommunikationsknoten eines rekonfigurierbaren, beweglichen Schallnetzes fungieren, über das Informationen ausgetauscht und gemeinschaftlich geophysikalische Messungen durchgeführt werden können“, merkt Dr. Giovanni Indiveri an. Teams von autonomen Robotern, die Schallquellen mit sich führen und die mit Schallsensoren ausgestattet sind, können konventionelle mitgeführte Systeme für seismische Messungen ersetzen, da die Schallquelle von den Empfängern abgekoppelt ist. Hierdurch wird eine präzisere Verfolgung der gewünschten Wege ermöglicht, selbst dann, wenn externe Umwelteinflüsse vorliegen. Anders gesagt, sind die Fahrzeuge mit festgetauten Hydrophonen ausgestattet, sodass sich das gesamte Netzsystem als große dezentrale akustische Anordnung für die Gewinnung von Schalldaten verhält. Durch die aktive Steuerung der Geometrie der Roboterformation ist es möglich, die Form der akustischen Anordnung bedarfsweise zu ändern. „Diese operative Flexibilität wartet mit erheblichen Vorteilen auf, da das Sammeln einer großen Menge von Daten zum Meeresboden und Meeresunterboden mit einer besseren Auflösung ermöglicht wird. Darüber hinaus werden maritime Operationen durch die Abwesenheit von physischen Verbindungen zwischen Oberflächenschiff und Datengewinnungsausrüstung vereinfacht“, erklärt Dr. Indiveri. Kommunikationssteuerung Die Kommunikationsarchitektur von WiMUST gewährleistet, dass die Positionen von jedem AUV in der Formation auf den Zentimeter genau bekannt sind und dass die internen Uhren der Fahrzeuge präzise synchron eingestellt sind. Dies ist von zentraler Bedeutung, um sicherzustellen, dass die gewonnenen seismischen Daten zeitlichen und räumlichen Markierungen zugewiesen werden, die über die gesamte Formation hinweg konsistent sind, und um relative Positionen der Fahrzeuge für die Navigation und Steuerung abzuleiten.. Die Forscher arbeiteten neben anderen Lösungen zur Unterstützung der Übertragung seismischer Daten von AUVs an Oberflächenstationen an der Gestaltung neuer Lösungen für die Uhrensynchronisation von AUVs. Navigation, Lenkung und Steuerung Die kooperative Navigation und Steuerung der AUVs und ASCs war für die Leistung des WiMUST-Systems von entscheidender Bedeutung. Das Team entwickelte kooperative Navigations- und Steueralgorithmen für die präzise Lenkung der Fahrzeuge, damit Kollisionen der ASCs und aller AUVs, die Messvorrichtungen mit sich führen, vermieden werden und damit die spezifische Geometrie im Verhältnis zu den Schallquellen aufrecht erhalten wird. Ausgehend von der Fahrzeugformation, die für eine optimale Sensoranordnungsgeometrie erforderlich ist, erstellt ein Bewegungsplaner Wegpunkte. Zukunftsaussichten Im Vergleich zu herkömmlichen seeseismischen Messvorrichtungen, die von einem Schiff hinterhergezogen werden, kann ein kooperatives Robotiksystem marine Operationen wesentlich vereinfachen und sowohl die Zeit als auch die Kosten für Messtätigkeiten reduzieren. „Die Positionserfassung Hunderter Messknoten, die bei einem Abtastintervall von etwa 10 Sekunden und bei einer Genauigkeit von mehr als 10 Metern über einen Bereich von mehreren Quadratkilometern verteilt sind, bleibt eine große Herausforderung,“ merkt Dr. Indiveri an. Sobald alle technischen Hindernisse überwunden worden sind, geht das WiMUST-Konsortium davon aus, dass die Verwendung autonomer Roboter zur Aufzeichnung seismischer Daten auf See breite Anwendung finden wird. Zusätzlich zu seismischen Messungen können die WiMUST-Ergebnisse auch in anderen Unterwasserbereichen angewandt werden, hierzu zählen Such- und Rettungseinsätze, die Umweltüberwachung und -beobachtung, die Minenräumung, die Kontaminationserkennung und Plume-Verfolgung, die Archäologie und die Fischereiwirtschaft.
Schlüsselbegriffe
WiMUST, autonomous underwater vehicles (AUVs), Meeresroboter, seismische Messung, Hydrophon, festgetaute seeseismische Messvorrichtungen, Navigation und Steuerung
