HullBug helpt schepen 10 km/h sneller varen.

Een speciaal ontwikkelde robotrups verwijdert dunne lagen biologisch materiaal van scheepsdelen die zich onder water bevinden.

Aan veel grote schepen hechten zich in de loop der jaren dunne lagen biologisch materiaal. Deze zogenaamde fouling vermindert de vaarsnelheid aanzienlijk. Om dit proces tegen te gaan wordt de onderkant van schepen tegenwoordig vaak behandeld met giftige lak. Milieuvriendelijk is dit zeker niet, want de verf laat constant koper en andere zware metalen achter in het water, waardoor de daar levende organismen beschadigd worden. Daarnaast dient de verf elke vijf tot tien jaar verwijderd en vernieuwd te worden waardoor tonnen giftig afval ontstaat. De HullBug verwijdert de dunne lagen biologisch materiaal milieuvriendelijk en efficiënt met een krabwerktuig.

Een schip dat vaart met een schoon onderwateroppervlak is veel efficiënter, wat alleen al aan brandstofkosten meer dan vijf procent bespaard. Bovendien wordt een groot schip door een efficiënte reiniging tot 10 km/h sneller. Als het probleem met de biologische lagen vervalt, kan de onderwatercoating geoptimaliseerd worden en de focus op corrosiebescherming gericht worden. Als deze methode wereldwijd op alle schepen zou worden uitgevoerd, zou de energiebesparing aanzienlijk bijdragen aan de reductie van broeikasgassen. Om het gebruik van giftige lakken duurzaam te vermijden, werd naar een methode gezocht die in staat is de biofilm op de onderkant van een schip efficiënt te verwijderen. Deze overwegingen leidden tot het concept van de HullBUG (Hull Bioinspired Underwater Grooming).

„Het belangrijkste kenmerk van de HullBUG is zijn geringe afmeting”, legt Dr. Kenneth Holappa, onderzoeksingenieur bij SeaRobotics uit. De robot is slechts een halve meter lang. Hierdoor kan het voertuig over het gebogen oppervlak van de onderkant van een schip kan manoeuvreren, zonder het contact met het oppervlak te verliezen. Omdat het gebruik van een dergelijk apparaat gevaren met zich meebrengt en een HullBUG in de omgeving van een haven verloren kan gaan of tijdens bedrijf vernield zou kunnen worden, was het belangrijk om de afmeting en de kosten van het apparaat gering te houden. Vanaf het begin van het project waren daarom kleine massa en lage kosten beslissende factoren voor het succes van het HullBUG-project. Deze bijzondere eisen wat betreft afmeting en gewicht vinden eveneens hun weerslag in de keuze van de technische componenten voor de HullBUG.

Componenten van de bewegingsbesturing
Bij de keuze van de aandrijfmotoren voor de HullBUG speelden een aantal beslissende constructieve beperkingen en compromissen een rol. Zo nam SeaRobotics het besluit om twee basismodellen te fabriceren, een met wielen en een tweede met rupsbanden. Om de afmeting van de motoren te kunnen bepalen moesten bijvoorbeeld de prestatie-, toerental- en motorkoppelwaarden van de uiteindelijke apparaten worden ingeschat. Onder andere moest rekening gehouden worden met de weerstand door het voortschuiven van het krabwerktuig over de scheepsromp, de hydrodynamische weerstand van het voertuig bij de beweging door het water, wrijvingsverlies in de asafdichtingen, die de motoren tegen zout water beschermen – versieafhankelijk – de wrijving van de wielen of rupsbanden.

„Na uitgebreid onderzoek hebben we besloten om motoren en overbrengingen van maxon
motor te gebruiken”, zei Holappa. „Deze motoren bieden niet alleen een prijsgunstige oplossing ,ze
zijn ook uiterst efficiënt en zeer eenvoudig te installeren.” De onderneming koos voor de platte EC motoren met planetaire overbrengingen. In de HullBUG-versie met rupsbanden worden twee
(EC 45 flat + GP 42 C) en in de wielversie vier aandrijvingen gebruikt. Nog een EC 45 motor is geïntegreerd in het krabwerktuig van de robot, gecombineerd met een eenvoudige tandwieloverbrenging. Voor de aandrijving van het onderdruksysteem dat de HullBUG aan de onderkant van het schip vasthoudt, wordt een sterke platte EC 90motor ingezet.

maxon motor biedt een uitgebreid assortiment gelijkstroommotoren met ijzerloze rotor en borstelloze motoren aan met afmetingen van 6 mm tot 90 mm en van 30 mW tot 500 W. „Het uitgebreide productassortiment en de hoge servicekwaliteit gaven ons het zekere gevoel, de juiste partner gekozen te hebben”, voegt Holappa toe. De door maxon motor gefabriceerde motoren bieden een lange levensduur in combinatie met kleine afmetingen. De totale serie borstelloze ECmotoren wordt elektronisch gecommuteerd. Dit zorgt voor een extreem lange levensduur van de motor omdat geen slijtage optreedt. De geselecteerde motoren werden speciaal geconstrueerd voor robotica-toepassingen, waarbij afmeting en gewicht centrale selectiecriteria waren. De voor de HullBUG geselecteerde platte EC 45 motoren werken uiterst efficiënt en wegen slechts 75 gram. Alle zes platte EC motoren hebben een uitgaand vermogen van meer dan 30 W. De belangrijkste specificatie voor deze toepassing was het motorkoppel. Zelfs in de ruwe omgevingsvoorwaarden waarin de HullBUG ingezet kan worden, levert de EC 45 al naar gelang de gekozen wikkeling een maximaal duurzaam draaimoment tot 56 mNm. Holappa verklaart: „De grote belastbaarheid van de GP 42-overbrengingen maakt het mogelijk de wielen rechtstreeks op de assen van de overbrengingen te monteren, wat de complexiteit van de totale constructie van het systeem aanzienlijk verlaagd.”

De door maxon gefabriceerde overbrengingen zijn verkrijgbaar met talloze verschillende tandwielreducties, om afhankelijk van de toepassing een reductie van het toerental respectievelijk een verveelvoudiging van het draaimoment mogelijk te maken. Door de voorwaarde dat het HullBUG-voertuig helemaal autonoom moest zijn, moest het zodanig worden geconstrueerd dat het meerdere uren op batterijen kan werken. Kabels zouden de afkrabwerkzaamheden alleen maar belemmeren. Om een maximale levensduur van de batterijen te bereiken moet het afkrabben van de biofilm bovendien op de meest efficiënte manier worden uitgevoerd.

Intelligente navigatie
Met een willekeurige navigatiebesturing zoals die bijvoorbeeld bij een elektrische grasmaaier gebruikt wordt, zou het werk weliswaar op een gegeven moment ook klaar zijn, maar niet snel genoeg. Bovendien heeft een schip meestal een groot onderwateroppervlak dat vaak meer dan 3.000 vierkante meter bedraagt. Om dit oppervlak schoon te houden, moet een exploitant meerdere HullBUG-voertuigen tegelijkertijd inzetten. Hij heeft daardoor een systeem nodig dat een doordachte en gecoördineerde navigatie garandeert. Daarom werd een set met verschillende navigatiemodi ontwikkeld waarmee meerdere HullBUG's een schip efficiënt schoon kunnen maken. Het onderwateroppervlak van het schip wordt hierbij in zones ingedeeld. Talrijke algoritmes werden geïntegreerd om het schip stap voor stap te reinigen. Aanvullende algoritmes en desbetreffende sensors werden ingezet om het efficiënte reinigen van de platte scheepsbodem te garanderen. Bovendien bestaat de mogelijkheid de HullBUG te besturen via de Miniature Acoustic Ranging Sonar (MARS). Speciaal voor dit doel werd een korte afstand sonar met gebundelde zendstraal ontwikkeld, waarmee het voertuig vooruit kan „zien”. Een verdere navigatiemogelijkheid maakt gebruik van micro-elektro-mechanische sensorsystemen (MEMS) voor de navigatie-informatie. Een andere feedbackmodus maakt gebruik van encoder-gebaseerde odometrie. Deze dient voor de positiebepaling van een mobiel systeem met behulp van gegevens van zijn aandrijfsysteem. Daarbij worden sensor-bevestigingssignalen van de motor geraadpleegd voor de precieze inschatting van de weg. Vanwege de geringe afmeting maar ook vanwege de kosten werden de Hall-sensors van de motor gebruikt in plaats van de aanvullende optische encoders. De Hall-sensors voor de odometriemeting met de geselecteerde motor/overbrenging-combinatie bieden een nauwkeurigheid van minder dan een millimeter.

Voortdurende softwareontwikkeling

Nadat voor een autonoom voertuig een geschikt systeem voor de beweging gekozen en geïmplementeerd is, vergt de software nog steeds een zeer grote inspanning . Een van de grootste uitdagingen van het ontwikkelingsteam was om storingsvrije en betrouwbare navigatiemanoeuvres uit te werken die ook onder speciale milieuvoorwaarden een nauwkeurige positionering mogelijk maken. Meerdere programmeringen waren nodig om te reageren op vele verschillende situaties die tijdens het reinigen van de romp kunnen optreden. Het moeilijkste deel van dit complexe systeem was de juiste organisatie van de besturingslogica die een uitbreiding van de navigatie mogelijk zou moeten maken.

„Ook na de jaren van hard werken die reeds werden geïnvesteerd, zal veel energie in de ontwikkeling van de software worden gestoken”, verklaart Holappa. „Hoewel het voertuig helemaal operationeel is, moeten nog uitgebreide tests op schepen worden uitgevoerd.” Nu al moet het voertuig zijn opgaven onder zeer ongunstige voorwaarden en op niet in kaart gebracht terrein kunnen uitvoeren. Bovendien moet hij voor berging terug kunnen keren naar het wateroppervlak. Dit lijkt weliswaar een uiterst moeilijke opgave maar Holappa is optimistisch: „Onlangs werd een technicus geschoold in het gebruik en hij beheerste het apparaat binnen de kortste keren. De gebruikersinterface werd overgenomen van de productserie Unmanned Surface Vehicle (USV) van SeaRobotics.” Het voertuig is betrouwbaar en de navigatiesoftware functioneert. Het volgende doel zal de structurering van de interface zijn om het HullBUG-systeem gebruikersvriendelijker en ook voor personeel zonder speciale technische opleiding bedienbaar te maken.”

 

Productnavigator

Contact

maxon motor benelux bv

Josink Kolkweg 387545 PR EnschedeNederland
+31 53 744 0 744
Contact