DE10012467A1 - Verfahren und Vorrichtung zur computergestützten Lagestabilisierung von Tauchrobotern - Google Patents

Abstract

Bisherige Tauchroboter müssen manuell austariert werden, um ihre optimale Wasserlage zu erhalten - eine Änderung der Trimmung ist während des Einsatzes nicht möglich. Eine Lageänderung des Roboters ist nur über den Antrieb möglich, was viel Energie verbraucht und deshalb ungeeignet für batteriebetriebene, autonome Tauchroboter ist. DOLLAR A Das Verfahren sowie die Vorrichtung beschreiben eine computergestützte Lagestabilisierung, bei der durch eine Schwerpunktverschiebung auch während der Tauchfahrt die Trimmung verändert werden kann. Dies ermöglicht eine präzise Ausrichtung des Roboters zu Inspektions- oder Handhabungsaufgaben. DOLLAR A Eingesetzt wird dieses Verfahren zur Lagestabilisierung autonomer sowie teilautonomer Tauchroboter. Es eignet sich besonders für batteriebetriebene Roboter mit kleinen Abmessungen, die hierdurch besonders wendig und dennoch strömungsstabil sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei den bisher bekannten Unterwasser-Robotern handelt es sich zumeist um Fernmanipulatoren, die hauptsächlich für Handhabungs- und Inspektionsaufgaben eingesetzt werden. Bedingt durch ihre Bauform und die Tatsache, daß sie an einer Nabelschnur betrieben werden, haben sie einen sehr geringen Aktionsradius. Um sich auf der gewünschten Tauchtiefe zu halten, werden sie aktiv über eine oder mehrere nach unten und zur Seite gerichtete Antriebsschrauben in einen Schwebezustand versetzt. Es sind jedoch auch Bauformen bekannt, die von einem Mutterschiff an Stahlseilen getragen werden.

Um eine optimale Wasserlage zu erreichen, ist es aufgrund von Fertigungstoleranzen erforderlich, bereits bei der Fertigung des Roboters dessen Schwerpunkt in mühevoller Kleinarbeit mittels Trimmgewichten auszutarieren. Wird der Roboter zu einem späteren Zeitpunkt erweitert, so muß dieser aufwendige Vorgang wiederholt werden.

Da der Trimm während des Einsatzes nicht veränderbar ist, kann die Lagestabilisierung nur durch die Antriebsschrauben erfolgen. Dies verbraucht viel Energie, und ist somit für den Einsatz in autonomen, batteriebetriebenen Tauchfahrzeugen ungeeignet. Da der Antrieb selbst Strömungswirbel erzeugt, ist es sehr schwer, den Roboter exakt auf Position zu halten. Außerdem werden hierbei Schwebekörper aufgewirbelt, welche die Sicht beeinträchtigen und somit ein längeres Arbeiten an gleicher Stelle erschweren.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung vorzuschlagen, welche mit geringstem Energieverbrauch sowohl Lage als auch Tauchtiefe eines Tauchroboters regeln kann. Diese muß sowohl eine geeignete Sensorik zur Aufnahme des Ist-Zustandes umfassen als auch eine Mechanik, welche die Verlagerung des Roboterschwerpunktes in Abhängigkeit der von einem Steuerrechner ermittelten Stellgröße ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Das vorgeschlagene Verfahren bzw. die Vorrichtung ermöglicht eine dynamische Verlagerung des Roboterschwerpunktes in Abhängigkeit der gemessenen Fahrzeuglage während des Taucheinsatzes und erübrigt somit die bisher erforderliche zeitaufwendige manuelle Abstimmung mittels Trimmgewichten.

Hierbei können außerdem in einem weiten Bereich Fertigungstoleranzen automatisch ausgeglichen werden. Zubauten wie z. B. Sensoren oder Manipulatoren sind ohne neuerliche Trimmung in das System zu integrieren, da die hieraus resultierende Schwerpunktverlagerung von der Lagestabilisierung ausgeglichen wird.

Auch können gewünschte Neigungswinkel des Roboters ohne Antriebsunterstützung definiert eingestellt werden, was eine wesentlich exaktere Positionierung des Roboters für Inspektionen oder Arbeiten unter Wasser ermöglicht.

Durch eine Lageänderung des Roboters ohne Zuhilfenahme der Antriebsmotoren entstehen keine Verwirbelungen im Wasser, wodurch weniger Schwebekörper aufgewirbelt werden, die ansonsten die Sicht beeinträchtigen würden. Zudem wird der Antrieb entlastet und damit eine höhere Lebensdauer der Antriebselemente erreicht, insbesondere im Bereich der Wellendichtungen. Im Fahrbetrieb werden Strömungen, die zur Abdrift des Roboters führen, durch entsprechendes Gegenneigen energiesparend kompensiert. Hierbei lehnt sich der Roboter durch Gewichtsverlagerung gegen die angreifende Strömung.

Dadurch können auch baukleine Roboter mit entsprechend kleineren Antrieben starken Strömungen standhalten.

Durch die kleinere Bauform werden die Roboter zudem wesentlich manövrierfreudiger, was den Einsatz in räumlich beengten Verhältnissen, z. B. der Inspektion von Tanks oder innerhalb von Versorgungsleitungen ermöglicht.

Außerdem ermöglicht die computergestützte Lagestabilisierung autonomen Tauchrobotern eine energiesparende Gleitfahrt unter Wasser. Durch zyklisches Auf- und Abtauchen unter definiertem Winkel kann eine Vorwärtsbewegung mit minimalem Energieverbrauch realisiert werden. Hieraus resultiert eine höhere Batteriestandzeit und damit ein größerer Aktionsradius.

Technische Ausführung

Um Verfahren und Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu testen, wurde ein Inspektions-Roboter entwickelt.

Der Roboter mit einem Volumen von nur rund 11 Litern besteht im wesentlichen aus einem zylindrischen Grundkörper (1), an dessen Vorderseite eine Acrylglas-Kuppel (2) angeflanscht ist. Das Heck (3) des Roboters verjüngt sich kreisradienförmig.

Angetrieben wird der Roboter über vier nach hinten gerichtete und unabhängig voneinander ansteuerbare Elektromotore (4), die eine Strömungsdifferenz erzeugen und damit den Roboter in alle drei Raumrichtungen manövrieren können. Dies ermöglicht auch eine Drehung um die eigene Achse.

Die Verlagerung des Schwerpunkts wird über eine Aufhängung realisiert, die den Akku (8) und die Steuerelektronik des Roboters trägt und exzentrisch gelagert ist. Dieser kann über einen Elektromotor (5) geschwenkt werden, wodurch sich der Krängungswinkel des Roboters verändern läßt. Der Einschub enthält außerdem ein in Längsrichtung verschiebbares Gewicht (9), mit dem, ebenfalls über einen Elektromotor (7), der Neigungswinkel verändert werden kann. Hier ist es auch denkbar, den kompletten Einschub in Längsrichtung zu verschieben. Die aktuellen Neigungswinkel werden über einen dreiachsigen Beschleunigungssensor erfaßt, der die Richtung der Gravitationskraft bestimmt. Mit seinen Meßwerten als Input errechnet ein Steuercomputer die Stellgrößen für die beiden Trimmgewichte (9, 10).

Es ist denkbar, die Verlagerung des Schwerpunktes durch Verteilen einer Flüssigkeit auf verschiedene Tanks gemäß der Stell-Werte zu erreichen.

Der Steuercomputer kann außerdem die Dichte des Roboters beeinflussen. Über eine Kolbenpumpe (11) wird die umgebende Flüssigkeit in einen flexiblen Tank im Inneren des Roboters gepumpt, der vorher evakuiert wurde. Hierbei wird die Luft im Roboter komprimiert und die Masse bei gleichbleibendem Robotervolumen vergrößert. Die Ausführung mit flexiblem Tank hat den Vorteil daß die gesamte Flüssigkeit im Tank in jeder Lage wieder abgesaugt werden kann.

Zur Bestimmung der Tauchtiefe wird der hydrostatische Druck des Wassers gemessen, wodurch der Steuercomputer in der Lage ist, die Tauchtiefe des Roboters dynamisch durch Zu- und Abpumpen der umgebenden Flüssigkeit zu regeln und den Roboter so in einen Schwebezustand zu versetzen.

Die Mechanik zur Lagestabilisierung, der Akku (8) zur Stromversorgung sowie die Steuerelektronik sind in einem Einschub (6) untergebracht, der zu Wartungszwecken vollständig aus der zylindrischen Roboterhülle (1) herausgezogen werden kann. Gesteuert wird der Roboter von mehreren Microcontrollern (siehe Fig. 4), welche über einen CAN-Bus miteinander kommunizieren. Dadurch kann der Roboter leicht um anwendungsspezifische Meßeinrichtungen erweitert werden. Die Controller sind mit einem Monitor-Programm vorprogrammiert, welches nach dem Systemstart eine einfache Kommunikation mit dem Leitrechner aufbaut, Bildschirmausgaben auf den Leitrechner umleitet und Funktionen zum Herunterladen, Starten und Stoppen von Anwendungsprogrammen bereitstellt.

Damit jederzeit eine Reprogrammierung gewährleistet ist, läuft auf jedem Controller ein in die Hardware integrierter Watchdog-Zähler mit, der von einem Leitrechner über den CAN-Bus in regelmäßigen Abständen zurückgesetzt wird. Sollte ein Fehler in einem Anwendungsprogramm auftreten und dadurch das Monitor-Programm, welches im Hintergrund abläuft blockiert werden, so kann der Benutzer den betroffenen Controller durch Unterdrücken der Refresh-Nachrichten in einen definierten Zustand zurückversetzen.

Ausgerüstet ist der Roboter mit einer hochempfindlichen schwenkbaren CCD- Farbkamera. Der Sichtbereich der Kamera wird über weiße Leuchtdioden erhellt, die ringförmig um deren Linse angeordnet sind. Diese Leuchtdioden emittieren hauptsächlich im blauen Bereich, in dem Wasser besonders lichtdurchlässig ist. Hierdurch wird eine besonders effiziente Ausleuchtung des Kamerabildes erreicht, da die Leuchtdioden selbst einen relativ engen Abstrahlwinkel besitzen und im Gegensatz zu bisher üblichen Scheinwerfern einen sehr geringen Infrarot-Anteil im Emmisionsspektrum aufweisen.

Der Roboter kann in zwei Modi betrieben werden: Zum einen kann er über einen Leitrechner ferngesteuert werden. Zum anderen kann er selbständig Strukturen unter Wasser folgen und hierbei deren Aussehen mit vorher übergebenen Parametern vergleichen.

Die Kommunikation kann über eine Kabelverbindung (Kupfer, Glasfaser, o. ä.) erfolgen. Auch ist eine Kommunikation über Breitband-Ultraschall oder über Langwellen denkbar, was einen kabellosen Betrieb des Roboters ermöglicht.

Über ein nach vorne gerichtetes, mehrkanaliges Sonar können Hindernisse frühzeitig geortet und umfahren werden. Eine Ausstattung des Roboters mit speziellen Verschmutzungs-Sensoren ermöglichen diesem zudem eine Auffindung von Umweltgiften in Gewässern.

Claims (14)

1. Verfahren zur Lagestabilisierung eines Tauchroboters, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund von erfaßten Neigungs- bzw. Rotationsdaten der Schwerpunkt des Gesamtsystems automatisch verlagert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tauchtiefe durch eine dynamische Änderung der Roboter-Dichte erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Schwerpunktverlagerung bzw. der Dichte-Änderung durch einen Regler (12) erfolgt, dem als Eingangsgröße die Rotation, Neigung (13) bzw. Tauchtiefe (14) des Systems sowie die gewünschte Lage des Systems (15) gegeben ist.

4. Vorrichtung zur Lagestabilisierung eines Tauchroboters, gekennzeichnet dadurch, daß deren Schwerpunkt (16) in einem oder mehreren Freiheitsgraden in Abhängigkeit eines oder mehrerer Stell-Werte verlagert werden kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß deren Dichte in Abhängigkeit eines oder mehrerer Stell-Werte verändert werden kann (17).

6. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längs- und Quertrimmung durch Schwenken oder Verschieben einer Masse (9), (10) erfolgt.

7. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlagerung des Schwerpunktes durch Verschieben bzw. Schwenken der Roboter- Mechanik innerhalb oder außerhalb der Roboterhülle erfolgt.

8. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verlagerung des Schwerpunktes eine Flüssigkeit auf an geeigneten Stellen angebrachten Tanks verteilt wird.

9. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Änderung der Dichte des Systems durch Zutanken und Abpumpen von umgebender Flüssigkeit in mindestens einen flexiblen und vorher evakuierten Behälter durch eine oder mehrere selbstansaugende Pumpen (11) erfolgt.

10. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die momentane Schräglage über Neigungssensoren und die Höhenlage über Drucksensoren, die den hydrostatischen Druck des umgebenden Mediums messen, erfaßt wird.

11. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Wert von der manuell oder automatisch eingestellten Fahrtrichtung abgeleitet wird.

12. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler in einen Steuercomputer implementiert ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Computer über ein Monitor-Programm verfügt, welches das Herunterladen und Debuggen von Anwender-Software ohne Öffnen des Robotergehäuses ermöglicht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Computer über einen Watchdog-Timer verfügt, der über die Kommunikationsstrecke zu einem Hauptrechner von diesem zurückgesetzt wird.