USV en acción, utilizando capacidades autónomas de mapeo bajo el agua y sobre el agua y sensores instalados como parte del proyecto TAPS. Fuente: © Fraunhofer IOSB
El estudio preciso de los depósitos de agua es una tarea difícil. Las autoridades y operadores portuarios están obligados a proporcionar mapas actualizados de los cauces de los ríos y las instalaciones portuarias. Hasta ahora, esto requería el uso de barcos cartográficos especiales y una gran cantidad de mano de obra. Esto es costoso y no se lleva a cabo con la frecuencia y precisión que se requerirá en aplicaciones futuras como el envío autónomo.
Por este motivo, un equipo de científicos del Instituto Fraunhofer de Optrónica, Tecnologías de Sistemas y Explotación de Imágenes IOSB desarrolló una embarcación no tripulada fácil de usar que explora de forma autónoma masas de agua como ríos, lagos y puertos tanto por encima como por debajo de la superficie. y crea mapas 3D apropiados.
Los mapas de cursos de agua brindan información importante, como la profundidad del curso de agua, las condiciones del suelo y del banco, la estructura del fondo, los perfiles longitudinales y transversales, los detalles del terraplén, las parcelas adyacentes, las instalaciones del puerto y el puente, el estado del curso de agua y mucho más. Estos mapas deben ser compilados y actualizados periódicamente por las autoridades competentes, lo cual es muy costoso ya que actualmente los estudios son realizados manualmente por especialistas en cartografía de barcos. El mapeo submarino y de superficie utilizando embarcaciones autónomas es mucho más económico.
Los investigadores del Fraunhofer IOSB en Karlsruhe desarrollaron un sistema de este tipo como parte del buque de investigación TAPS (en alemán: conectado solo a una estación de trabajo central o estación de control en tierra) que mapea todo tipo de aguas continentales y sus alrededores, tomando medidas tanto por encima como por debajo del nivel del mar. superficie del agua Las aplicaciones en alta mar también son posibles ya que el sistema es capaz de mapear profundidades de hasta 100 metros en su forma actual.
Modelos 3D precisos de paisajes sobre el agua y bajo el agua
Usando GPS, sensores de aceleración y velocidad angular, y un sensor llamado Doppler Velocity Log (DVL), que permite que la embarcación detecte gradualmente su trayectoria a lo largo del fondo del agua, la embarcación puede navegar de forma autónoma. Los datos de varios sensores se combinan para guiar el sistema de navegación semiautomático. El mapeo sobre el agua utiliza escáneres láser y cámaras junto con el software de mapeo Fraunhofer IOSB que permite que los dispositivos reconstruyan modelos 3D de alta precisión del entorno. El mapeo submarino, por otro lado, se realiza mediante un sonar multihaz, que se integra con el sistema de sensores y crea un modelo 3D completo del lecho.
“Nuestro sistema de navegación es semiautomático ya que el usuario solo necesita especificar el área a mapear. El proceso topográfico en sí es completamente automático y la evaluación de datos se realiza con solo unos pocos clics del mouse. Desarrollamos los módulos de software necesarios para el mapeo y el pilotaje autónomo”, explica el Dr. Janko Petereit, científico de Fraunhofer IOSB.
Reconstrucción tridimensional de las estructuras de la costa generada por una combinación de cámaras y un escáner láser y, para comparar, una foto del mismo fragmento de la costa tomada desde la perspectiva de un barco. Fuente: Fraunhofer IOSB
El USV evita obstáculos por sí solo
El primer paso es identificar el área a medir. Luego, el software utiliza esta información para calcular la ruta. Luego viene el USV, que mide 2 m x 1,5 m x 1 m y es muy ligero (64 kg). Cumpliendo su tarea, evita de forma independiente los obstáculos detectados por un escáner láser y un sonar. Durante el viaje en tiempo real, se genera un modelo 3D de alta velocidad con fines de navegación, incluidos objetos dinámicos como barcos en movimiento. El software calcula un segundo modelo 3D de alta precisión después de evaluar los datos, capturando tanto el fondo del cuerpo de agua como la escena sobre la superficie del agua mientras oculta objetos en movimiento.
Las pruebas de la unidad de medición se llevaron a cabo en varios lagos diferentes. El prototipo operativo está siendo utilizado actualmente por el grupo de investigación Fraunhofer “Smart Ocean Technologies” en Rostock en otros proyectos que se centran en la robótica submarina y de superficie.
El software permite la navegación autónoma en aguas abiertas
Hay muchas aplicaciones potenciales de la tecnología desarrollada. Además del levantamiento autónomo de canales de navegación y estructuras de ingeniería, también es posible excavar de forma independiente vías fluviales. Los usuarios que simplemente quieren navegar por cuerpos de agua por su cuenta sin cartografiarlos también pueden beneficiarse de la pila de software del proyecto.
Por esta razón, Petereit cree que eventualmente habrá oportunidades para la implementación y un mayor desarrollo en todas las áreas del transporte de pasajeros y mercancías en alta mar y vías navegables interiores. “En el futuro, veremos un gran aumento en el transporte marítimo autónomo en las vías fluviales alemanas, que culminará en nuevos tipos de cadenas logísticas que combinan de manera inteligente el transporte por ferrocarril, carretera y agua”.
Además de los algoritmos de autonomía, el envío autónomo también requiere mapas de alta precisión, que no siempre están disponibles en la actualidad, como señala Petereit. “Actualmente, las mediciones manuales solo se llevan a cabo cada uno o dos años y brindan resultados mucho menos precisos que nuestros modelos 3D completos, por lo que la condición de las vías fluviales no se registra de manera óptima. Por lo tanto, los estudios de ríos deberán realizarse con mucha más frecuencia en el futuro y con un mayor nivel de detalle. Nuestro sistema de navegación semiautomático es una alternativa rentable a los métodos topográficos actuales”, dice Petereit.