HullBug macht Schiffe 10 km/h schneller.

Eine speziell entwickelte Roboterraupe entfernt am Unterwasserteil eines Schiffes Biofilmschichten. Für dieses batteriebetriebene, autonom operierende Fahrzeug war die Auswahl der richtigen Antriebe ein wichtiger Entwicklungsschritt. 

Biofilmschichten sammeln sich über die Jahre an vielen grossen Schiffen an. Dieses so genannte Fouling verringert massgeblich die Geschwindigkeit des Schiffes. Um diesem Ablagerungsprozess entgegenzuwirken werden heute häufig die Unterseiten der Schiffe mit giftigen Lacken beschichtet. Umweltfreundlich ist dieses Vorgehen jedoch nicht, denn die Farbe sondert ständig Kupfer und andere Schwermetalle in den Unterwasser-Lebensraum ab, wodurch die dort lebenden Organismen geschädigt werden. Erschwerend kommt noch hinzu, dass die Farbe alle fünf bis zehn Jahre abgestrahlt und erneuert werden muss. Hierbei entstehen Tonnen von Giftmüll. Der HullBug entfernt mittels eines Abstreifwerkszeugs die Biofilmschichten umweltfreundlich und effizient.

Ein Schiff, das mit sauberer Unterwasserfläche fährt, ist viel effizienter, so dass schon bei den Kraftstoffkosten über fünf Prozent eingespart werden können. Zudem wird ein grosses Schiff durch die effiziente Reinigung bis zu 10 km/h schneller. Entfällt das Problem mit den Biofilmschichten, kann die Unterwasserbeschichtung optimiert und der Fokus auf den Korrosionsschutz gelegt werden. Würde diese Methode an allen derzeit weltweit operierenden Schiffen praktiziert, könnten die erreichten Energieeinsparungen erheblich zur Reduktion von Treibhausgasen beitragen. Um die Verwendung von giftigen Lacken dauerhaft zu vermeiden, wurde eine Methode gesucht, die in der Lage ist, den Biofilm auf der Unterseite eines Schiffes effizient zu beseitigen. Aus diesen Überlegungen entstand das Konzept des HullBUG (Hull Bioinspired Underwater Grooming).

„Das wichtigste Merkmal des HullBUG ist seine geringe Grösse“, erklärt Dr. Kenneth Holappa, Forschungsingenieur bei SeaRobotics. Der Roboter ist nur etwa einen halben Meter lang. Dies war ein notwendiges Konstruktionskriterium, damit das Fahrzeug über die geschwungene Oberfläche der Schiffsunterseite manövrieren kann, ohne den Kontakt zur Oberfläche zu verlieren. Da mit dem Betrieb eines solchen Unterwassergerätes Gefahren verbunden sind und ein HullBUG in einer Hafenumgebung verloren gehen oder im Betrieb zerstört werden könnte, war es ein wichtiges Kriterium, die Grösse und die Kosten des Geräts gering zu halten. Von Beginn des Projekts an waren daher kleine Masse und geringe Kosten entscheidende Faktoren für die zufriedenstellende Umsetzung des HullBUG-Projekts. Diese besonderen Anforderungen an Grösse und Gewicht schlagen sich auch in der Auswahl der technischen Komponenten für den HullBUG nieder.

Komponenten der Bewegungssteuerung
Bei der Auswahl der Antriebsmotoren für den HullBUG kam eine Reihe entscheidender konstruktiver Einschränkungen und Kompromisse ins Spiel. So entschied sich SeaRobotics für die Herstellung von zwei Basismodellen, eines mit Rädern und ein weiteres mit Raupenketten. Für die Grössenbestimmung der Motoren mussten beispielsweise die Leistungs-, Drehzahl- und Drehmomentkennwerte der fertigen Geräte geschätzt werden. Berücksichtigt werden mussten unter anderem der Widerstand durch das Schieben des Abstreifwerkzeugs über den Schiffsrumpf, der hydrodynamische Widerstand des Fahrzeugs bei seiner Bewegung durch das Wasser, Reibungsverluste in den Wellendichtungen, die die Motoren vor Salzwasser schützen sowie – je nach Version – die Reibung der Räder oder Raupenketten.

„Nach umfassender Komponentenrecherche entschieden wir uns, Motoren und Getriebe von maxon motor zu verwenden“, sagte Holappa. „ Diese Motoren bieten nicht nur eine kostengünstige Lösung, sie sind auch äusserst effizient und sehr einfach zu installieren.“ Das Unternehmen entschied sich für EC-Flachmotoren mit Planetengetriebe. In der Raupenketten-Version des HullBUG kommen zwei (EC45 flat + GP42C) und in der Rad-Version vier Antriebe zum Einsatz. Ein weiterer EC45-Motor ist in das Abstreifwerkzeug des Roboters integriert. Dieser ist mit einem einfachen Stirnradgetriebe kombiniert. Für den Antrieb des Unterdrucksystems, das den HullBUG an der Unterseite des Schiffes festhält, kommt ein starker EC90 Flachmotor zum Einsatz.

maxon motor bietet ein umfassendes Sortiment von Gleichstrommotoren mit eisenlosem Rotor und bürstenlose Motoren in Grössen von 6 mm bis 90 mm und von 30 mW bis 500 Watt an. „Das umfangreiche Produktsortiment und die hohe Servicequalität gaben uns das sichere Gefühl, den richtigen Partner gewählt zu haben“, ergänzt Holappa. Von maxon motor hergestellte Motoren bieten lange Lebensdauer in Kombination mit kleinen Abmessungen. Die gesamte Baureihe bürstenloser EC-Motoren wird elektronisch kommutiert. Dies sorgt für eine extrem lange Motorlebensdauer, da kein Verschleiss stattfindet. Die ausgewählten Motoren wurden speziell für Robotikanwendungen konstruiert, in denen Grösse und Gewicht zentrale Auswahlkriterien darstellen. Die für den HullBUG ausgewählten Flachmotoren EC45 arbeiten äusserst effizient und wiegen jeweils nur 75 Gramm. Alle sechs EC-Flachmotoren haben eine Abgabeleistung von mehr als 30 Watt. Die wichtigste Spezifikation für diese Anwendung war das Drehmoment. Selbst unter den rauen Umgebungsbedingungen, in denen der HullBUG eingesetzt werden kann, liefert der EC45 je nach ausgewählter Wicklung ein maximales dauerhaftes Drehmoment von bis zu 56 mNm.

Holappa erläutert: „Die grosse Belastbarkeit der GP42-Getriebe erlaubt es, die Räder direkt an die Wellen der Getriebe zu montieren, was die Komplexität der Gesamtkonstruktion des Systems erheblich verringert. Von maxon hergestellte Getriebe sind mit zahlreichen verschiedenen Untersetzungen erhältlich, um je nach Anwendung eine Reduzierung der Drehzahl bzw. eine Vervielfachung des Drehmoments zu ermöglichen. Unter der Vorgabe, dass das HullBUG-Fahrzeug vollständig autonom sein sollte, musste es so konstruiert werden, dass es mehrere Stunden im Batteriebetrieb arbeiten kann. Kabel würden die Abstreifarbeiten nur behindern. Um eine maximale Batterielebensdauer zu erreichen, muss das Abstreifen des Biofilms zudem auf möglichst effiziente Art und Weise erfolgen.

Intelligente Navigation
Bei einer zufälligen Navigationsführung, wie sie beispielsweise bei einem elektrischen Rasenmäher zum Einsatz kommt, wäre die Arbeit zwar auch irgendwann erledigt, jedoch nicht schnell genug. Ausserdem hat ein Schiff meist eine sehr grosse Unterwasserfläche, die oft über 3000 Quadratmeter beträgt. Um diese Fläche sauber zu halten, muss ein Betreiber mehrere HullBUG-Fahrzeuge gleichzeitig einsetzen. Er benötigt somit ein System, das eine durchdachte und koordinierte Navigation sicherstellt. Deshalb wurde ein Set von verschiedenen Navigationsmodi entwickelt, mit deren Hilfe mehrere HullBUGs ein Schiff effizient säubern können. Die Unterwasserfläche des Schiffs wird hierbei in Regionen unterteilt. Zahlreiche Algorithmen wurden integriert, um das Schiff schrittweise zu säubern. Zusätzliche Algorithmen und entsprechende Sensoren wurden eingesetzt, um das effiziente Säubern des flachen Schiffsbodens zu gewährleisten. Zudem besteht die Möglichkeit, den HullBUG über das Miniature Acoustic Ranging Sonar (MARS) zu steuern.

Zu diesem Zweck wurde eigens ein Kurzstreckensonar mit gebündeltem Sendestrahl entwickelt, mit dem das Fahrzeug vorausliegende Wände oder einfallende Kanten „sehen” kann. Eine weitere mögliche Navigationsart nutzt mikroelektro-mechanische Sensorsysteme (MEMS) für die Navigationsinformationen. Ein anderer Feedback-Modus nutzt Encoder-basierte Odometrie. Diese dient zur Positionsbestimmung eines mobilen Systems anhand der Daten seines Vortriebssystems. Dabei werden Sensor-Rückmeldungen vom Motor zur genauen Abschätzung des Weges herangezogen. Aufgrund ihrer geringeren Grösse wie auch aus Kostengründen wurden die Hall-Sensoren des Motors anstelle von zusätzlichen optischen Encodern verwendet. Die Hall-Sensoren für die Odometriemessung mit der gewählten Motor/Getriebe-Kombination bieten eine Genauigkeit von unter einem Millimeter.

Fortlaufende Softwareentwicklung
Wurde einmal für ein autonomes Fahrzeug ein geeignetes System zur Bewegungssteuerung ausgewählt und implementiert, bildet immer noch die Software einen sehr grossen Teil des Entwicklungsaufwandes. Eine der grösseren Herausforderungen des Entwicklungsteams war, störungsfreie und zuverlässige Navi-gationsmanöver auszuarbeiten, die auch unter speziellen Umweltbedingungen eine präzise Positionierung ermöglichen. Mehrere Programmierungen waren erforderlich, um auf die vielen unterschiedlichen Situationen zu reagieren, die im Verlauf der Rumpfreinigung auftreten können. Der schwierigste Teil dieses komplexen Systems war die richtige Organisation der Steuerungslogik, die eine Erweiterung des Navigationsverhaltens ermöglichen sollte. „Auch nach Jahren harter Arbeit, die bereits investiert wurden, wird weiterhin ein hoher Aufwand in die Software-Entwicklung fliessen“, erläutert Holappa. „ Obwohl das Fahrzeug vollständig einsatzbereit ist, sind noch umfassende Tests an Schiffen durchzuführen.“

Bereits jetzt muss das Fahrzeug seine Aufgaben unter sehr ungünstigen Bedingungen und in nicht kartografiertem Gelände erledigen können. Zudem muss es in der Lage sein, zur Bergung an die Wasseroberfläche zurückzukehren. Dies klingt zwar nach einer äusserst schwierigen Aufgabe, doch Holappa ist optimistisch: „Vor kurzem wurde ein Techniker in der Anwendung geschult, und er beherrschte das Gerät innerhalb kürzester Zeit. Die Benutzerschnittstelle wurde von der Produktreihe Unmanned Surface Vehicle (USV) von SeaRobotics übernommen. Sie hat eine intuitive, grafische Oberfläche, die sich bereits in Hunderten von Einsatzstunden bei vielen verschiedenen Kunden bewährt hat.” Das Fahrzeug ist betriebstauglich, und die Navigationssoftware funktioniert. Das nächste Ziel wird die Strukturierung der Schnittstelle sein, um das HullBUG-System benutzerfreundlicher und auch für Personal ohne spezielle technische Ausbildung bedienbar zu machen.

 © maxon motor ag

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