PC-alapú vezérlés a tengerhajózásban és a környezetvédelemben
Ipari PC vezérlésű búvárrobot gyűjti a hulladékot Velence csatornáiban
A szennyvizekben lévő hulladékok mintegy 70%-a az óceánok fenekére süllyed, vagy mikro- és nanorészecskékre esik szét – ez több tízmillió tonnát tesz ki. A mesterséges intelligenciát alkalmazó MAELSTROM kutatási projekt keretében olyan autonóm robotot fejlesztettek ki, amely akár 20 méteres vízmélységekig képes szelektíven beazonosítani és összegyűjteni tárgyakat. A PC-alapú vezérléssel automatizált rendszert 2022 szeptemberében próbálták ki Velencében.
Ha meg akarjuk akadályozni, hogy a hulladék megmérgezze az érzékeny víz alatti ökoszisztémákat, vagy hogy mikro- és nanométer méretű műanyagrészecskék kerüljenek a szervezetünkbe a táplálékláncokon keresztül, akkor egyrészt meg kell akadályoznunk a vizeink további szennyezését, másrészt össze kell gyűjtenünk a már víz alatt lévő hulladékot. Pontosan ez a European Horizon 2020 – MAELSTROM projekt célja: olyan technológiák kifejlesztése és összeintegrálása, amelyek lehetővé teszik mindenfajta tengeri hulladék beazonosítását, eltávolítását, szétválogatását és nyersanyagokká való átalakítását. Ennek érdekében a TECNALIA (Spanyolország), a CNRS-LIRMM (Franciaország) és a Servizi Tecnici (Olaszország) képviselőiből álló nemzetközi kutatócsoport kifejlesztette a „Robotic Seabed Cleaning Platform” nevű, robotalapú tengerfenék-tisztító platformot. Ennek központi eleme egy markolóval és egy szívószerkezettel ellátott víz alatti robot, amely nyolc csörlő segítségével rugalmasan képes mozogni hat szabadsági fok mentén.
A MAELSTROM kutatási projekt keretében olyan kábelrobotot fejlesztettek ki, amely képes szívókorongokkal apró részecskéket eltávolítani, egy markolóval pedig akár 20 méteres mélységből még 130 kg súlyú hulladékot is kiemelni (Fotó: © Pierre-Elie Herve – TECNALIA)
A robot érzékelőkkel és kamerákkal észleli a tengerfenéken lévő hulladékot, automatikusan fölé helyezkedik, és képes akár 130 kg súlyú tárgyakat (például kerékpárokat, gumiabroncsokat, dobozokat és hálókat) is felemelni. A vízben úszó kisebb tárgyakat vagy műanyagdarabokat szívással fogja be. „Mivel a felszínről dolgozunk és a markolókat vagy a szívókorongokat csak szükség esetén aktiváljuk, rendkívül célirányosak vagyunk, minimálisra csökkentve a tengerfenék ökoszisztémájára gyakorolt hatást” – fejtette ki Mariola Rodríguez, a MAELSTROM projekt vezetője a TECNALIA-nál.
A pozicionáló csörlők szinkronizált vezérlését a Beckhoff vállalat AX5118 típusú szervohajtásai és AM8071 típusú szervomotorjai végzik. „A robusztus, pontos és gyors pozicionálás érdekében kefe nélküli szinkron szervomotorokat választottunk” – nyilatkozta Jose Gorrotxategi, a TECNALIA kábelrobotikai csapatának elektronikai mérnöke. További előnyt jelent a hajtásoknál használt egykábeles technológia (One Cable Technology – OCT), amellyel mérsékelhető a csörlőknél a kábelezési munka és a helyigény.
A csörlők acélkábeleivel a robotváz a víz alatt az olykor erős áramlatok ellenére is pontosan pozicionálható és rendkívül stabilan a helyén tartható. A motortengelyeken lévő jeladók érzékelik a kábeldobok szöghelyzetét és fordulatszámát, ezek alapján közvetve meghatározható a felcsévélt kábel hossza.
A megkövetelt munkavédelmet több elektromágneses fék, valamint a kábelek mechanikai feszültségének erőérzékelőkkel történő ellenőrzése biztosítja. Ha a mért értékek a megengedett tartományon kívül esnek, a kábelrobot azonnal leáll és a kijelzőn hibaüzenet jelenik meg.
Az összes tengely központi vezérlését és a kábelrobot pozicionálását egy C6650 típusú, vezérlőszekrénybe szerelt ipari PC végzi, különféle víz alatti érzékelők segítségével (Fotó: © Jose Gorrotxategi – TECNALIA)
Víz feletti és alatti érzékelőcsoportok
A víz alatti kábelrobot vázán számos irányítási és felügyeleti célból elhelyezett érzékelő teszi lehetővé a kézi, automata, illetve távvezérelt üzemelést. „A kamerák és lámpák segítségével kézileg is irányítható a robot – abban az esetben, ha a víz alatt nem túl rosszak a látási viszonyok” – tette hozzá Pierre-Elie Herve, a TECNALIA kábelrobot csapatának gépészeti és vezérléstechnikai mérnöke. A kezelő a kameraképen rákattinthat a tengerfenék érdekelt helyeire, amelyeket azután a robot önállóan megközelít. A robot vázán lévő nyomásérzékelő észleli a merülési mélységet, egy inerciális mérőegység pedig szabályozza a robot vízben felvett helyzetét. A tengerfenéktől való távolságot és a tengerfenékhez viszonyított relatív sebességet négy akusztikus érzékelőn keresztül egy Doppler-elven működő fokozat (Doppler Velocity Log – DVL) rögzíti.
További érzékelők találhatók a vízfelszíni pontonon – köztük egy nyomásérzékelő, amely a mélységszabályozás során kompenzálja a légköri nyomásváltozás hatását. Az uszály helyzetét és függőleges tájolását két valós idejű kinematikus GPS-egység határozza meg pillanatszerűen. Az említett részrendszerekből származó összes adatot felhasználják a robot vezérléséhez és helyzetének szabályozásához. A mért értékek alapján a robotplatform képes például a mélységtérképen (batimetrikus térképen) előzetesen kijelölt pozíciókat pontosan megközelíteni és helyzetét megtartani, ami felgyorsítja a munkavégzést. „Ez a képesség kulcsfontosságúnak bizonyult a velencei lagúna nagyon zavaros vizében” – mutatott rá Mariola Rodríguez.
A kábelrobot nyolc csörlőhajtását és a hordozóváz négy tengelyét AX5118 típusú szervohajtások vezérlik (Fotó: © Jose Gorrotxategi – TECNALIA)
A kábelrobot vezérlése és kommunikációja
Az összesen 12 tengellyel – nyolc csörlővel és a pontonárbócokon lévő négy, függőlegesen mozgatható csúszdával – rendelkező kábelrobotot egy C6650 típusú, vezérlőszekrénybe szerelt ipari PC vezérli a rajta futó TwinCAT 3 szoftveren keresztül. Az ipari PC a vezérlőteremben található fő vezérlőszekrényben kapott helyet. A rendszer biztonságos üzemeltetését a kábel húzófeszültségének figyelése mellett a különféle pontokon (vezérlőteremben, rádiós vezérlőknél és csörlőknél) elhelyezett vészleállító gombok biztosítják. A megfelelő biztonsági logikát egy EL6910 típusú EtherCAT terminál futtatja, amely a TwinSAFE logikai modult is tartalmazza. A beépített fékkel rendelkező szervohajtások AX5805 típusú opcionális TwinSAFE kártyákon keresztül kapcsolódnak a biztonsági alkalmazáshoz.
További négy, a kábelcsörlőkre decentralizáltan felszerelt elosztódoboz tartalmazza a be/kimeneti csatolómodulokat és a kábel húzófeszültségének mérésére szolgáló elektronikát. A vezérlőszekrény és az elosztódobozok közötti kapcsolatot EtherCat P hálózat biztosítja. Jose Gorrotxategi minderről a következőket árulta el: „Az EtherCAT-technológiának ezzel a kiterjesztésével egyetlen kábelen keresztül lehet biztosítani az egyenáramú táplálást és a valós idejű EtherCAT-kommunikációt”.
A kezelőfelület kézi vezérléskor: a kezelő a batimetrikus térképet látja. Ennek közepe a robot belső medencéjének felel meg (narancssárga téglalap). Vörös téglalap jelzi azt a biztonságos munkaterületet, ahol a robot és a kábelek nem ütközhetnek össze. Az alsó területen az acélkábelek húzófeszültsége látható (Fotó: © Vincent Creuze and Cyril Barrelet – CNRS-LIRMM)
A robotplatform vezérlése
A kezelő botkormánnyal irányítja a kábelrobotot a víz alatti mozgóplatform becsült helyzete és az azon elhelyezett kamerák képe alapján. A kezelőfelületen választhat a különféle vezérlési üzemmódok között, és a szenzorok értékei, valamint a vízalatti kamerák képe alapján felügyelheti az összes funkciót.
A víz alatti érzékelésre szolgáló kamerarendszer elsősorban vizuális szervovezérlést tesz lehetővé: amint a kezelő tengeri hulladékot lát (a kamerához viszonylag közel, mert a víz zavaros), rákattint a képernyőn, majd a kábelrobot mozgó egysége önműködően megközelíti a hulladékot.
A kezelőfelületbe be van építve a DVL-rendszerrel és a kamerákkal létrehozott mélységtérkép is. A kezelő ezen bármelyik pontot kiválaszthatja, a mozgó egység oda fog menni. A kézi működtetés mellett a robot autonóm módon is képes a hulladékot azonosítani, megcélozni és begyűjteni. „Ebben a mesterséges intelligencián alapuló üzemmódban a szerkezet képes azonosítani a tengeri hulladékot, és kiválasztani a legmegfelelőbb eltávolító eszközt” – pontosított Pierre-Elie Herve.
A tengerfenék-tisztító robotplatformhoz kifejlesztett szoftver pillanatszerűen, azonnal kiszámítja a robot földrajzi helyzetét a valós idejű GPS (valós idejű kinematika – RTK) és az inerciális mérőeszközök segítségével. Ezek az eszközök mérik és jelentik a helyzetet vagy a tájolást, illetve egyúttal figyelik és vezérlik a csörlőket. Ezenkívül a robot helyzete megjelenik a tengerfenék térképén, amelyen a hulladék helyzete is látható. A robot mozoghat automata üzemmódban – ilyenkor a szoftver határozza meg a hulladékhoz vezető víz alatti útvonalat –, vagy irányítható kézileg is a botkormánnyal. A robot mozgása közben egy akusztikus érzékelővel kombinált kamera pásztázza a tengerfeneket a mélység mérése és a hulladék felismerése végett. Ezek az adatok földrajzi koordinátákkal ellátva valós időben jelennek meg a térképen.
BECKHOFF Automation Kft.
1097 Budapest,
Táblás utca 36-38. G épület 2. emelet
Tel.: + 36 1 501 99 40
E-mail:
www.beckhoff.com
