Entwicklung eines Konzeptes zur Führung von Autonomen Unterwasserfahrzeugen unter Eis
Final Report Abstract
Schwerpunkt des zweijährigen Forschungsstipendiums war die Untersuchung und Entwicklung von Algorithmen zur zeitoptimalen Wegeplanung in einer zeitveränderlichen Umgebung. Diese Algorithmen wurden im bearbeiteten Projekt zur Missionsführung von Autonomen Unterwasserfahrzeugen (AUV) eingesetzt, wobei hier die zeitveränderliche Umgebung durch ein raum- und zeitvariantes Seeströmungsfeld charakterisiert ist. Eine Nutzung der entwickelten Algorithmen zur Führung von unbemannten Luftfahrzeugen ist ebenso möglich. Als Versuchsträger dienten die am Institute for Ocean Technology (NRC-IOT) in St. John’s, Kanada vorhandenen AUV „SLOCUM Glider“. Diese Fahrzeuge zeichnen sich durch eine lange Einsatzdauer von drei bis vier Wochen bei einem geringen Energieverbrauch aus, was durch das passive Antriebskonzept erreicht wird. Dies führt jedoch auch zu einer begrenzten Manövrierfähigkeit und einer geringen Fahrgeschwindigkeit von nur 0.3 - 0.4 m/s, so dass Glider sehr anfällig gegenüber einer vorhandenen Seeströmung sind. (Im Operationsgebiet kann die Strömung bis zu 1.0 m/s betragen.) Die Vermeidung von Seegebieten mit widriger Strömung, aber auch die Nutzung von günstigen Strömungsverhältnissen bei der Wegeplanung ist ein entscheidender Faktor zur Durchführung einer erfolgreichen Mission. Eine Planungssoftware zur Erfüllung aller notwendigen Anforderungen stand bei Projektstart nicht zur Verfügung. Sie wurde während des Projektes entwickelt und kann zur Planung von zukünftigen Glider-Missionen eingesetzt werden. Die wichtigsten Fortschritte gegenüber vorhandenen Planungstools sind: • Genaue Bestimmung eines zeitoptimalen Weges in einem komplexen zeitveränderlichen Strömungsfeld. • Nutzung eines Seeströmungsmodells, welches auf der Basis von generierten Daten eines Vorhersagesystems die Strömungswerte an einer beliebigen Position, Tiefe und Zeit bestimmen kann. • Einbeziehung der gesamten Strömungswerte des Tauchprofils in die Planung. • Glättung des gefundenen Weges unter Berücksichtigung der zeitveränderlichen Umgebung. • Bestimmung des optimalen Tauchprofils für die einzelnen Streckenelemente des Weges. • Ermittlung der optimalen Startzeit für eine Mission. • Generierung eines Planes bei welchem das Fahrzeug so viele ozeanographische Daten wie möglich im interessierenden Operationsgebiet sammeln kann. Die entwickelten Algorithmen zur Wegeplanung basieren auf Graphenmethoden und stellen eine Weiterentwicklung der untersuchten Methoden dar. Bei der Untersuchung der Graphenmethoden wurden verschiedene Gitterstrukturen für geometrische Graphen betrachtet. Schwerpunkt der Untersuchungen war es, eine möglichst exakte Übereinstimmung der gefundenen graphenbasierten mit der optimalen Lösung zu erzielen. Es zeigt sich, dass die mögliche Anzahl an Verbindungen (Kanten) von einem Knoten zu den benachbarten Knoten mit dem Grad der Annäherung an das Optimum der generierten Wege korreliert. Eine Verringerung der Gittergröße hingegen brachte keine signifikante Verbesserung. Dies liegt im verwendeten Gütekriterium begründet, welches die Zeit zum Abfahren einer Kante unter Einbeziehung der Seeströmungs- und der Fahrtrichtung bewertet. Dabei entspricht die Kantenrichtung der Fahrtrichtung bzw. dem Kurs des Fahrzeuges. Da die optimale Fahrtrichtung in einem Strömungsfeld direkt vom lokalen Strömungsvektor abhängt und so jeden beliebigen Richtungswert von ±180° annehmen kann, ist es wichtig, dass die Richtung der ausgewählten Kantenverbindung möglichst gut mit dieser optimalen Fahrtrichtung übereinstimmt. Dies wird bei einer großen Variation von möglichen Verbindungen zu den Nachbarknoten gewährleistet. Diese wichtige Erkenntnis bzw. Bedingung zur Erzeugung eines optimalen Weges wurde in diesem Projekt detailliert behandelt. In anderen aktuellen Publikationen, die sich mit optimaler Wegeplanung in Strömungsfeldern beschäftigen, wurde dieser entscheidende Punkt nicht oder nicht anwendungsorientiert betrachtet. Die entwickelten Graphenmethoden basieren auf einem modifizierten Dijkstra bzw. A* Algorithmus, wobei eine zeitvariante Kostenfunktion während der Wegesuche die Zeit zum Abfahren der bearbeiteten Kante unter Einbeziehung der aktuellen Startzeit bestimmt. Ein ähnlicher Ansatz wurde zur Bestimmung der optimalen Verknüpfungskombination in Computernetzwerken verwendet, um Nachrichtentelegramme möglichst schnell zu übertragen. Die Bestimmung von optimalen Wegen in zeitveränderlichen Strömungsfeldern, welche in diesem Projekt behandelt wurde, stellt ein neues Applikationsgebiet einer solchen Methode dar. Die Einbindung von Zermelos Navigationsformel in den graphenbasierten Algorithmus stellt einen neuen Ansatz für eine gezieltere und beschleunigte Wegesuche dar. Dabei wählt eine Auswahlfunktion während der Suche nur potentielle Nachfolgerkanten aus, welche mit der optimalen Fahrtrajektorie konform sind. Die entwickelten Methoden und Algorithmen können so durch andere Forschergruppen leicht angewandt und weiterentwickelt werden. Die entstandene Software zur Missionsplanung kann für SLOCUM Glider eingesetzt oder im Rahmen von zukünftigen Forschungs- und Industrieprojekten weiterentwickelt werden. Eine Nutzung der Algorithmen in anderen Anwendungsgebieten wie dem Eismanagement, der optimalen Schiffsführung oder der Routenplanung von Straßenfahrzeugen unter Einbeziehung zeitveränderlicher Bedingungen (Verkehrsaufkommen, Ampelführung, Fährverbindungen, Wetter) wurde ebenfalls mit möglichen Projektpartnern diskutiert. Das im Projekt entwickelte Seeströmungsmodell wird im Rahmen des geplanten EFRE-Projektes SALMON zur realistischen Nachbildung von Konzentrationsverteilungen im Meer eingesetzt und weiterentwickelt. Die Wegeplanungsalgorithmen sollen im beantragten EU-Projekt MORPH zur Missionsplanung einer Fahrzeuggruppe eingesetzt werden. Des Weiteren ist in diesem Projekt die Weiterentwicklung der Algorithmen für ein online Hindernisvermeidungssystem für bewegte Objekte geplant, welches auch die Seeströmungsinformationen und die Manövrierbarkeit der Fahrzeuge einbezieht.
Publications
- 16th International Symposium on Unmanned Untethered Submersible Technology (UUST09), 23-26 August 2009 in Durham, New Hampshire, USA: Optimal Path Planning for AUVs in Time-Varying Ocean Flows
Eichhorn, Mike
- Oceans ´09 IEEE Bremen, 11-14 Mai 2009 in Bremen, Deutschland: A New Concept for an Obstacle Avoidance System for the AUV “SLOCUM Glider” Operation under Ice
Eichhorn, Mike
- Oceans 2010 MTS/IEEE Seattle, 20-23 September 2010 in Seattle, Washington, USA: Solutions for Practice-oriented Requirements for Optimal Path Planning for the AUV “SLOCUM Glider”
Eichhorn, Mike
- Oceans ´10 IEEE Sydney, 24-27 Mai 2010 in Sydney, Australien: A Mission Planning System for the AUV “SLOCUM Glider” for the Newfoundland and Labrador Shelf
Eichhorn, Mike et al.
