Phương tiện tự hành dưới nước AUV (Autonomous underwater vehicle) là một robot di chuyển dưới nước mà không cần người điều khiển liên tục nhập liệu. AUV là một phần của một nhóm lớn hơn các hệ thống dưới biển được gọi là phương tiện dưới nước không người lái UUV (unmanned underwater vehicles), một phân loại bao gồm các phương tiện dưới nước được điều khiển từ xa ROV (remotely operated underwater vehicle) không tự trị – được người điều khiển/người lái cấp nguồn và điều khiển từ mặt nước thông qua dây rốn (umbilical) hoặc sử dụng điều khiển từ xa. Trong các ứng dụng quân sự, AUV thường được gọi là phương tiện không người lái dưới biển UUV (unmanned undersea vehicle). Tàu lượn dưới nước (underwater glider) là một phân lớp của AUV.
Lịch sử
AUV đầu tiên được phát triển tại Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng tại Đại học Washington vào đầu năm 1957 bởi Stan Murphy, Bob Francois và sau đó tiếp đi, Terry Ewart. “Phương tiện nghiên cứu tự hành dưới nước” SPURV (Self-Propelled Underwater Research Vehicle) được sử dụng để nghiên cứu sự khuếch tán, truyền âm và đánh thức tàu ngầm.
Các AUV ban đầu khác được phát triển tại Viện Công nghệ Massachusetts vào những năm 1970. Một trong số này đang được trưng bày tại Phòng trưng bày hàng hải Hart ở MIT. Đồng thời, AUV cũng được phát triển ở Liên Xô (mặc dù điều này không được biết đến rộng rãi cho đến mãi sau này).
Các ứng dụng
Loại phương tiện dưới nước này gần đây đã trở thành một lựa chọn thay thế hấp dẫn cho việc tìm kiếm và thám hiểm dưới nước vì chúng rẻ hơn so với phương tiện có người lái. Trong những năm qua, đã có nhiều nỗ lực phát triển phương tiện dưới nước nhằm đáp ứng thách thức của các chương trình thăm dò và khai thác dưới đại dương. Gần đây, các nhà nghiên cứu đã tập trung vào phát triển AUV để thu thập dữ liệu dài hạn về hải dương học và quản lý vùng ven biển.
Hoạt động thương mại
Ngành công nghiệp dầu khí sử dụng AUV để lập bản đồ đáy biển chi tiết trước khi họ bắt đầu xây dựng cơ sở hạ tầng dưới biển. Các đường ống và công trình hoàn thiện dưới biển có thể được lắp đặt theo cách tiết kiệm chi phí nhất với sự gián đoạn tối thiểu đối với môi trường. AUV cho phép các công ty khảo sát tiến hành khảo sát chính xác ở những khu vực mà khảo sát độ sâu truyền thống sẽ kém hiệu quả hơn hoặc quá tốn kém. Ngoài ra, hiện có thể thực hiện khảo sát đường ống sau khi đặt, bao gồm kiểm tra đường ống. Việc sử dụng AUV để kiểm tra đường ống và kiểm tra các công trình nhân tạo dưới nước đang trở nên phổ biến hơn. Ngoài ra còn có sự phát triển của AUV để khai thác và/hoặc khai thác dưới đáy biển tiềm năng đá nốt sần đa kim.
Trong nghiên cứu
Các nhà khoa học sử dụng AUV để nghiên cứu hồ, đại dương và đáy đại dương. Nhiều loại cảm biến có thể được gắn vào AUV để đo nồng độ của các nguyên tố hoặc hợp chất khác nhau, sự hấp thụ hoặc phản xạ ánh sáng và sự hiện diện của sự sống vi mô. Các ví dụ bao gồm cảm biến độ dẫn điện-nhiệt độ-độ sâu CTD (conductivity-temperature-depth sensor), máy đo huỳnh quang và cảm biến pH. Ngoài ra, AUV có thể được cấu hình làm phương tiện kéo để cung cấp các gói cảm biến tùy chỉnh đến các địa điểm cụ thể.
Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng tại Đại học Washington đã và đang tạo ra các phiên bản lặp lại của nền tảng AUV Seaglider kể từ những năm 1950. Mặc dù Seaglider ban đầu được thiết kế cho nghiên cứu hải dương học nhưng trong những năm gần đây, nó đã nhận được nhiều sự quan tâm từ các tổ chức như Hải quân Hoa Kỳ hoặc ngành dầu khí. Việc sản xuất và vận hành những chiếc tàu lượn tự hành này tương đối rẻ tiền là dấu hiệu cho thấy hầu hết các nền tảng AUV sẽ thành công trong vô số ứng dụng.
Một ví dụ về AUV tương tác trực tiếp với môi trường của nó là Robot sao biển vương miện gai (COTSBot) do Đại học Queensland tạo ra Công nghệ (QUT). COTSBot tìm và tiêu diệt sao biển gai (Acanthaster planci), một loài gây thiệt hại cho Rạn san hô Great Barrier. Nó sử dụng mạng lưới thần kinh để xác định sao biển và tiêm muối mật để tiêu diệt nó.
Sở thích
Nhiều nhà chế tạo robot chế tạo AUV như một sở thích. Một số cuộc thi tồn tại cho phép các AUV tự chế này cạnh tranh với nhau trong khi hoàn thành các mục tiêu. Giống như những người anh em thương mại của chúng, những AUV này có thể được gắn máy ảnh, đèn hoặc sóng siêu âm. Do nguồn lực hạn chế và thiếu kinh nghiệm, những chiếc AUV dành cho người yêu thích hiếm khi có thể cạnh tranh với các mẫu xe thương mại về độ sâu hoạt động, độ bền hoặc độ tinh vi. Cuối cùng, những chiếc AUV theo sở thích này thường không đi biển mà chủ yếu được vận hành ở hồ bơi hoặc lòng hồ. Một AUV đơn giản có thể được chế tạo từ bộ vi điều khiển, vỏ áp suất PVC, bộ truyền động khóa cửa tự động, ống tiêm và rơ-le DPDT. Một số người tham gia cuộc thi tạo ra các thiết kế dựa trên phần mềm nguồn mở.
Vận chuyển trái phép ma túy
Các tàu ngầm di chuyển tự động đến đích bằng định vị GPS đã được thực hiện bởi những kẻ buôn bán ma túy bất hợp pháp.
Điều tra tai nạn hàng không
Các phương tiện tự hành dưới nước, chẳng hạn như AUV ABYSS, đã được sử dụng để tìm mảnh vỡ của máy bay mất tích, ví dụ: Chuyến bay 447 của Air France, và Bluefin-21 AUV. Chuyến bay 370 của Malaysia Airlines đã được sử dụng để tìm kiếm
Ứng dụng quân sự
Kế hoạch tổng thể về phương tiện không người lái dưới biển (UUV) của Hải quân Hoa Kỳ đã xác định các nhiệm vụ sau của UUV:
– Tình báo, giám sát và trinh sát.
– Biện pháp đối phó với mìn.
– Tác chiến chống ngầm.
– Kiểm tra/nhận dạng.
– Hải dương học.
– Các nút mạng truyền thông/điều hướng.
– Phân phối tải trọng.
– Hoạt động thông tin.
– Các cuộc tấn công mang tính thời điểm.
Kế hoạch Tổng thể của Hải quân chia tất cả các UUV thành bốn loại:
– Loại phương tiện di chuyển bằng người: lượng giãn nước 10-50 kg; độ bền 10-20 giờ; được phóng thủ công từ tàu mặt nước nhỏ (như Mk 18 Mod 1 Swordfish UUV).
– Loại hạng nhẹ: dung tích lên tới trên 200 kg, thời gian sử dụng từ 20-40 giờ; được phóng từ RHIB sử dụng hệ thống thu hồi phóng hoặc bằng cần cẩu từ tàu mặt nước (như Mk 18 Mod 2 Kingfish UUV).
– Loại hạng nặng: lượng giãn nước lên tới trên 1200 kg, thời gian hoạt động 40-80 giờ, phóng từ tàu ngầm.
– Hạng lớn: có lượng giãn nước dài đến 10 tấn; phóng từ tàu mặt nước và tàu ngầm.
Năm 2019, Hải quân Hoa Kỳ đã đặt mua 5 chiếc UUV Orca, đây là lần đầu tiên Hải quân mua được tàu ngầm không người lái có khả năng chiến đấu.
Thiết kế của phương tiện
Hàng trăm chiếc AUV khác nhau đã được thiết kế trong hơn 50 năm qua, nhưng chỉ có một số công ty bán ra với số lượng đáng kể. Có khoảng 10 công ty bán AUV trên thị trường quốc tế, bao gồm Kongsberg Maritime, HII (trước đây là Hydroid và trước đây thuộc sở hữu của Kongsberg Maritime)), Bluefin Robotics, Teledyne Gavia (trước đây gọi là Hafmynd), International Submarine Engineering (ISE) Ltd, Atlas Elektronik, RTsys, MSubs và OceanScan.
Các loại phương tiện có kích thước đa dạng, từ AUV hạng nhẹ di động cho người đến phương tiện có đường kính lớn dài hơn 10 m. Phương tiện cỡ lớn có lợi thế về độ bền và khả năng chịu tải cảm biến; các phương tiện nhỏ hơn được hưởng lợi đáng kể từ việc giảm chi phí hậu cần (ví dụ: hỗ trợ dấu chân tàu; hệ thống phóng và phục hồi).
Một số nhà sản xuất đã được hưởng lợi từ sự tài trợ của chính phủ Mỹ bao gồm Bluefin và Kongsberg. Thị trường được chia thành ba lĩnh vực một cách hiệu quả: khoa học (bao gồm các trường đại học và cơ quan nghiên cứu), thương mại ngoài khơi (năng lượng ngoài khơi, khoáng sản biển…) và các ứng dụng liên quan đến quốc phòng (biện pháp đối phó với mìn, chuẩn bị không gian chiến đấu). Phần lớn các vai trò này sử dụng thiết kế tương tự và hoạt động ở chế độ hành trình (kiểu ngư lôi). Chúng thu thập dữ liệu trong khi đi theo lộ trình đã định trước với tốc độ từ 1 đến 4 hl/g.
Các AUV có sẵn trên thị trường bao gồm nhiều thiết kế khác nhau, chẳng hạn như REMUS 100 AUV cỡ nhỏ ban đầu được phát triển bởi Woods Viện Hải dương học Hole ở Hoa Kỳ và hiện được HII sản xuất thương mại; dòng AUV HUGIN bao gồm HUGIN, HUGIN Edge, HUGIN Superior và HUGIN Endurance được phát triển bởi Kongsberg Maritime và Cơ sở Nghiên cứu Quốc phòng Na Uy; các phương tiện Robot Bluefin 12 và 21 inch (300 và 530mm); ISE Ltd. Explorer; Cellula Robotics’ Solus LR; RT Sys Comet và NemoSens AUV; Gavia, Osprey và SeaRaptor của Teledyne; và dòng AUV L3 Harris Ocean Server Iver.
Hầu hết các AUV đều thuộc loại khảo sát hoặc AUV bay, có dạng hình trụ hoặc hình ngư lôi với cánh quạt chạy bằng năng lượng. Đây được coi là sự dung hòa tốt nhất giữa kích thước, khối lượng sử dụng, hiệu suất thủy động lực và khả năng xử lý dễ dàng. Có một số phương tiện sử dụng thiết kế mô-đun, cho phép người vận hành dễ dàng thay đổi các bộ phận. Một số phát triển gần đây đã loại bỏ hình dạng hình trụ truyền thống để chuyển sang các kiểu sắp xếp khác như Sabretooth hybrid R/AUV của Saab hoặc HUGIN Edge mới ra mắt gần đây. Chúng tối ưu hóa hình dạng theo yêu cầu vận hành (Sabretooth) hoặc hưởng lợi từ hiệu suất thủy động lực kéo thấp (HUGIN Edge).
Thị trường đã trưởng thành kể từ năm 2010 với sự chú trọng nhiều hơn vào dữ liệu hơn là đặc điểm của phương tiện. Các nhà khai thác nhận thức rõ hơn về mặt kỹ thuật và việc sử dụng AUV cũng tăng lên tương ứng. Nhiều nhà khai thác sử dụng hệ thống của họ một cách tự động hơn là giám sát các phương tiện sử dụng liên kết âm thanh. Do đó, khả năng xử lý trên tàu và quyền tự chủ trong nhiệm vụ đã trở thành những tính năng quan trọng hơn đối với AUV. Hầu hết các AUV đều có quyền tự chủ điều hướng hoặc dựa trên sự kiện. Họ sẽ tuân theo một kế hoạch sứ mệnh địa lý với các sự kiện riêng biệt để vận hành các cảm biến, thay đổi hướng đi hoặc quay trở lại bề mặt. Một số AUV có khả năng tự chủ thích ứng, chẳng hạn như khả năng điều chỉnh hướng đi để tránh chướng ngại vật dọc theo lộ trình đã định. Trạng thái tiên tiến hiện tại là một phương tiện thu thập, xử lý và hành động dựa trên dữ liệu mà nó thu được mà không cần người vận hành nhập vào.
Tính đến năm 2008, một loại AUV mới đang được phát triển, có thiết kế bắt chước các thiết kế có trong tự nhiên. Mặc dù hầu hết hiện đang trong giai đoạn thử nghiệm, nhưng mô phỏng sinh học này (hoặc bionic) các phương tiện có thể đạt được mức độ hiệu quả cao hơn về động cơ đẩy và khả năng cơ động bằng cách sao chép các thiết kế thành công trong tự nhiên. Hai phương tiện như vậy là Festo’s AquaJelly (AUV) và EvoLogics BOSS Manta Ray.
Cảm biến
AUV mang theo cảm biến để tự điều hướng và lập bản đồ các đặc điểm của đại dương. Các cảm biến điển hình bao gồm la bàn, cảm biến độ sâu, quét mạn và các cảm biến khác nhiệt điện trở, oxy hòa tan và số lượng của pH và cảm biến để đo cảm biến độ đục cảm biến), diệp lục (còn được gọi là máy đo huỳnh quang và đầu dò độ dẫn điện. Một số AUV được trang bị cảm biến sinh học bao gồm, từ kế, sonars
Một cuộc biểu tình tại Vịnh Monterey, ở California, vào tháng 9 năm 2006, đã cho thấy rằng 21- đường kính inch (530mm) AUV có thể kéo 120 m mảng điện thoại dưới nước dài trong khi vẫn duy trì tốc độ di chuyển đến 6 hl/g (11 km/h).
Dẫn đường
Sóng vô tuyến không thể xuyên qua nước quá xa nên ngay khi AUV lặn, nó sẽ mất tín hiệu GPS. Do đó, cách tiêu chuẩn để AUV di chuyển dưới nước là thông qua tính toán chết. Tuy nhiên, việc điều hướng có thể được cải thiện bằng cách sử dụng hệ thống định vị âm thanh dưới nước. Khi hoạt động trong mạng lưới các bộ tiếp sóng cơ sở được triển khai dưới đáy biển, điều này được gọi là điều hướng LBL (long baseline). Khi có sẵn một tham chiếu bề mặt như tàu hỗ trợ, đường cơ sở cực ngắn USBL (ultra-short baseline) hoặc đường cơ sở ngắn SBL (short-baseline) định vị được sử dụng để tính toán vị trí của phương tiện dưới biển so với vị trí (GPS) đã biết của tàu bề mặt bằng phương pháp đo phạm vi âm thanh và phương vị. Để cải thiện việc ước tính vị trí của nó và giảm sai sót trong tính toán chết (tăng theo thời gian), AUV cũng có thể xuất hiện và thực hiện sửa lỗi GPS của riêng mình. Giữa việc cố định vị trí và để di chuyển chính xác, Hệ thống dẫn đường quán tính trên AUV sẽ tính toán thông qua việc tính toán chính xác vị trí, gia tốc và vận tốc của AUV. Ước tính có thể được thực hiện bằng cách sử dụng dữ liệu từ Đơn vị đo quán tính và có thể được cải thiện bằng cách thêm Nhật ký vận tốc Doppler (DVL), đo tốc độ di chuyển trên đáy biển/hồ. Thông thường, cảm biến áp suất đo vị trí thẳng đứng (độ sâu của phương tiện), mặc dù độ sâu và độ cao cũng có thể thu được từ các phép đo DVL. Những quan sát này được lọc để xác định giải pháp điều hướng cuối cùng.
Động lực đẩy
Có một số kỹ thuật đẩy cho AUV. Một số trong số chúng sử dụng động cơ điện có chổi than hoặc không có chổi than, hộp số, vòng đệm môi và cánh quạt có thể được bao quanh bởi vòi phun hoặc không. Tất cả các bộ phận này được nhúng trong cấu trúc AUV đều liên quan đến động cơ đẩy. Các loại phương tiện khác sử dụng bộ đẩy để duy trì tính mô-đun. Tùy theo nhu cầu, máy đẩy có thể được trang bị một vòi phun để bảo vệ va chạm cánh quạt hoặc để giảm tiếng ồn hoặc có thể được trang bị một máy đẩy truyền động trực tiếp để giữ hiệu suất ở mức cao nhất và tiếng ồn ở mức thấp nhất. Bộ đẩy AUV tiên tiến có hệ thống bịt kín trục dự phòng để đảm bảo khả năng bịt kín thích hợp của robot ngay cả khi một trong các vòng đệm bị hỏng trong quá trình thực hiện nhiệm vụ.
Tàu lượn dưới nước không trực tiếp tự đẩy mình. Bằng cách thay đổi độ nổi và độ nghiêng của chúng, chúng liên tục chìm xuống và bay lên; cánh máy bay “cánh” chuyển chuyển động lên xuống này thành chuyển động tịnh tiến. Sự thay đổi độ nổi thường được thực hiện thông qua việc sử dụng một máy bơm có thể hút hoặc đẩy nước ra. Độ cao của xe có thể được kiểm soát bằng cách di chuyển trọng tâm của xe. Đối với Tàu lượn Slocum, việc này được thực hiện bên trong bằng cách di chuyển pin được gắn trên vít. Do pin yếu tốc độ cao và các thiết bị điện tử công suất thấp, năng lượng cần thiết để thực hiện các trạng thái cắt theo chu kỳ ít hơn nhiều so với các AUV thông thường và tàu lượn có thể hoạt động trong nhiều tháng và phạm vi xuyên đại dương.[cần trích dẫn
Thông tin liên lạc
Vì sóng vô tuyến không truyền tốt dưới nước nên nhiều AUV kết hợp modem âm thanh để cho phép ra lệnh và điều khiển từ xa. Các modem này thường sử dụng các kỹ thuật truyền thông và sơ đồ điều chế độc quyền. Năm 2017, NATO đã phê chuẩn tiêu chuẩn ANEP-87 JANUS cho thông tin liên lạc dưới biển. Tiêu chuẩn này cho phép 80 liên kết truyền thông BPS với định dạng tin nhắn linh hoạt và có thể mở rộng. Các kỹ thuật truyền thông thay thế đang được khám phá, bao gồm các kỹ thuật dựa trên quang học, cảm ứng và RF, có thể được kết hợp trong các giải pháp đa phương thức. Các đánh giá cũng đang được tiến hành về các kỹ thuật truyền thông mới có thể sử dụng cơ sở hạ tầng làm đường liên lạc để cung cấp các đường liên lạc thay thế và cơ hội từ các phương tiện.
Nguồn
Hầu hết các AUV được sử dụng ngày nay đều được cấp nguồn bằng pin sạc (ion lithium, lithium polymer, niken hiđrua kim loại…) và được triển khai với một số dạng hệ thống quản lý pin. Một số phương tiện sử dụng pin sơ cấp có thể cung cấp độ bền gấp đôi – với chi phí bổ sung đáng kể cho mỗi nhiệm vụ. Trước đây, một số hệ thống sử dụng pin bán nhiên liệu bằng nhôm, nhưng chúng đòi hỏi phải bảo trì nhiều, nạp lại tốn kém và tạo ra chất thải phải được xử lý an toàn. Một xu hướng mới nổi là kết hợp các hệ thống pin và năng lượng khác nhau với siêu tụ điện./.
