لقاء مع كركن في اللامتناسة ذاتية الحكم

الشكل 1: تم تصميم التكرار الأول من اللامسة لكاتيفيتش في كراكن. (الصورة: كراكن)

الشكل 2: الرافعة الذكية في كراكين (الصورة: كراكن)

الشكل 3: عرض العينة (الصورة: Kraken)

Previous Next

من جذوع الأفيال إلى الساقين الأخطبوط ، تزخر الطبيعة بالمجسات التي تكون بارعة في التلاعب الدقيق.

في Kraken Robotics ، أردنا أن نرى ما يمكن أن تعلّمه الطبيعة عن طرق التلاعب الأفضل لإطلاق واسترداد المركبات والمعدات البحرية. مستوحاة من حلقات التغذية المرتدة المتطورة وأوقات الاستجابة الديناميكية التي تم العثور عليها في المخلوقات مثل الفيل والأخطبوط وقنديل البحر - وحتى نباتات آكلة اللحوم العرضية - قمنا ببرنامج بحث وتطوير لمدة 18 شهرًا في تصميم محاكاة بيولوجية.

إن الدخول إلى الماء أو الخروج منه هو إلى حد بعيد العملية الأكثر خطورة لأي قطعة من المعدات الأوقيانوغرافية. وهو يشتمل على مكونات ديناميكية متعددة ، تتأثر بارتفاع الأمواج وحركات السفن واتجاه الرياح والتيارات. بما أن المعدات حساسة ومكلفة ، يجب توخي الحذر الشديد أثناء إطلاقها واستعادتها.

قامت مجموعة كراكنز لأنظمة المناولة ، ومقرها في دارتموث ، نوفا سكوتيا ، بقيادة برنامج البحث والتطوير. الدروس التي تعلمناها ، والمعرفة التي اكتسبناها ، بلغت ذروتها في تطوير نظام إطلاق واستقبال نظام كرين اللامتناهي الذاتي (ALARS).

إن The Kraken Tentacle ليس نظامًا واحدًا محددًا. إنها مجموعة من التقنيات المستخدمة لتنفيذ حلول الاسترداد والانتشار المعيارية القابلة للتطوير لمجموعة متنوعة من المركبات تحت الماء المربوطة وغير المربوطة. تم تصميم التكرار الأول للغطس من أجل مركبة KATFISH (الشكل 1) التي تم تثبيتها بفاعلية ، وهي الحمولة الرئيسية منها من نوع AquaPix Synthetic Aperture Sonar في كراكين. الإصدارات المستقبلية سوف تستوعب المركبات الأخرى كذلك. بعد الانتهاء من الاختبار النهائي ، نتوقع إطلاق Tentacle في أغسطس 2018

من خلال تطوير مستشعر مدمج ، ومنصة ، و LARS في المنزل ، نقدم حزمة تشغيلية وموثوقة بالكامل يدعمها بائع واحد ولا تتطلب سوى الطاقة الكهربائية من السفينة المضيفة.

اللامسة الذكية ونش
غالباً ما يذهب مصممو أنظمة المناولة إلى المصنّعين الخارجيين للرافعة ثم يدمجونها في نظام إطلاقها واستردادها. في وقت مبكر من البحث عن اللامسة ، أدركنا أن الونش يجب أن يكون قلب النظام ، مع القدرة على توفير أكثر بكثير من مجرد دفع الكبل والبكرة. كالمحرك الرئيسي في عملية الإطلاق والاسترداد ، الونش يمكن تصميمها لتعويض حركة السفينة والمركبة بشكل ملحوظ.

وكما هو الحال في الطبيعة ، فإن الوامضة الذكية اللنقطة قد تبدو متواضعة من الخارج ، لكن قدراتها الحقيقية تكمن في ذلك. تستضيف وحدة التحكم الإلكترونية المتكاملة بالكامل خوارزميات متطورة للتحكم الديناميكي أو شبه المستقل أو التحكم الذاتي الكامل للونش. تتعقب وحدة الإشارة المدمجة للحركة حركة السفينة المضيفة ، ونماذج البرامج المتطورة على متن الطائرة وتتنبأ بحالة البحر. يسمح ذلك للونش بالتنبؤ بوقت ذروة الموجات والحضيض وتحسين عزم الدوران المتغير على المحرك لتقليل اضطرابات الإدخال عبر الكبل.

يمكن للمشغل تحقيق التحكم اليدوي في ونج اللانسيت إما من خلال مدخلات التحويل اليدوية المشابهة لتلك الموجودة في الأنظمة التقليدية ، أو عن بُعد عبر واجهات Ethernet و Wi-Fi الآمنة. يسمح الوضع شبه الذاتي للزيادة الديناميكية (الحركة الأمامية / الخلفية) وتعويض (أعلى / لأسفل) لتعويض إضطرابات الإدخال على كابل السحب حتى في أعالي البحار. يسمح الوضع المستقل الكامل لجسم السحب KATFISH بقيادة الونش. مع زيادة عمق المياه أو إنقاصها ، تستطيع KATFISH قياس العمق بشكل مستقل وقيادة الرافعة على السحب أو الدفع. وهذا يتيح زيادة السلامة ، مما يسمح بمناورات تجنب السفلية الآلية بالكامل حتى في البيئات الديناميكية.

تم تصميم الونش اللامسة لتكون ذكية وقوية. يفي بمتطلبات الصدمات والاهتزازات العسكرية لـ MIL-STD 901D بالإضافة إلى المعايير الدولية الصارمة لسجل لويدز ورموز DNV-GL. إنه نظام كهربائي بالكامل ، يوفر أوقات استجابة محسنة ويزيل الحاجة لوحدات الطاقة الهيدروليكية الثانوية. ويمكن دمجها على مجموعة واسعة من السفن ، من السفن السطحية الصغيرة غير المأهولة إلى سفن الدعم البحرية الكبيرة.

انعكاسات مشروطة
في الطبيعة ، كثيرا ما نسمع الإشارة إلى ردود الفعل والذاكرة العضلية للمخلوقات ، بما في ذلك البشر. يمكن تعريف ردود الأفعال على نطاق واسع بأنها إجراء أو أفعال تحدث قبل أن يدرك الدماغ بوعي المنبهات ، وينقسم إلى فئتين. ردود الفعل الانسحاب ، وردود الفعل مشروطة. في هذه المقالة سنركز على هذا الأخير.

ردود الفعل المشروطة ، والتي يشار إليها عادة باسم "ذاكرة العضلات" ، هي ردود الفعل التي تم الحصول عليها نتيجة للتجربة. في حالة البشر ، مثال على ذلك هو اصطياد كرة. كطفل ، يتم تعليمنا هذا العمل البسيط للرمي واللحاق من خلال اللعب. عندما يكون الشخص بالغًا ، فعندما يلقي الإنسان كرة ، فإنه سيصل بالغريزة للقبض عليه قبل سقوطه على الأرض ، وتضمن ردود الفعل المنعكس أن العضلات المتوازنة متوترة ، ويتم إجراء تعديلات صغيرة لتعويض الوزن المتوقع للكرة .

لإعادة تشبيهنا إلى عالم المعدات البحرية ، نقارن بين مشغل بشري لرافعة هيدروليكية قياسية أو LARS. ومن المرجح أن يتطلب هذا التدريب الصغير تدريبًا واسعًا ووقتًا في البحر لفهم ديناميكيات السفن والتفاعلات مع المحيط. وعلى النقيض من ذلك ، قام بحار متقن مع سنوات من الخبرة "بتدريب" نفسه على مراقبة حركة السفينة وظروف الأمواج وتوقيت إطلاق أو استعادة المعدات مع فترة الأمواج والانتفاخ ، دون التفكير في كثير من الأحيان ذلك. يمكن تشبيه هذه التجربة إلى منعكس مشروط ، حيث يقوم الإنسان بأداء العديد من الإجراءات بسرعة بحيث يتم تنفيذها دون تفكير واعي.

إنها بالضبط هذه المنعكسات المكيّفة بيولوجيًّا التي كنا نهدف إلى تقليدها في تصميم الوخس الخماسي وتجسيدها في نظام التحكم في اللامسة.

حركة التعويض
الهدف الأساسي لونطة اللامسة هو زيادة غلاف الأداء لإطلاق ، وسحب واسترداد منصة استشعار مثل نظام KATFISH. ويحقق ذلك عن طريق تقليل اقتران حركات الأوعية السطحية غير المرغوب فيها في منصة المستشعر المقطوع ، وهو أمر ضروري للحفاظ على استقرار وسلامة المنصة التي يتم سحبها. يمكن أن تكون أنظمة تعويض الحركة المصممة لفك ارتباطات الحركة إما سلبية أو فعالة. على الرغم من أن الأنظمة السلبية عادة ما تكون أبسط ، إلا أنها محدودة في تردد وحجم الحركة التي يمكن أن تفصل بينهما ويمكن أن تسبب مشاكل في الرنين بسبب التردد الطبيعي المتأصل لنظام التخميد السلبي (كما هو الحال في المثبط الربيعي). لحسن الحظ ، مع التقدم في تكنولوجيا نظام التحكم ، أصبحت الأنظمة النشطة أقل تعقيدًا وأقل تكلفة.

معظم الأنظمة النشطة تعوض عن حركة الارتفاع. ومع ذلك ، بالنسبة للأوعية السطحية الصغيرة مثل الـ USVs ، يمكن أن تكون الحركة المفاجئة عاملاً رئيسياً ، خاصة عندما تكون الممر -المسافة وراء عربة القطر- عالية مقارنةً بعمق الجسم المسحوب. وبسبب هذا ، قمنا بتصميم نظام كراكن للتعويض عن كل من الارتفاع والارتفاع.

تحدد الأنواع الثلاثة الشائعة لنظم تعويض الحركة الحركة بناءً على موضع شراع الكابل على السفينة:

• يتكون نظام sheave تحويلاً من sheave شنت على جهاز الحركة الخطية مثل اسطوانة هيدروليكية. يتم لف الكابل بزاوية 180 درجة حول هذا الحزام ، وتتحرك الأسطوانة للداخل والخارج ، مما يؤدي إلى تغيير طول الكابل بشكل فعال لتعويض حركة السفينة.
• يحتوي نظام ذراع الإيماء على حزمة ، يمر عليها كابل ، مثبتة على نهاية ذراع تطير صعودا وهبوطا لتعويض حركة السفينة.
• يأخذ نظام قيادة الونش معلومات الحركة ومن ثم يتم دفعه أو إعادة تدويره في الكابل لتعويض حركة الارتفاع والارتفاع المفاجئ.

توظف Tentacle ALARS نظام قيادة ونش بفضل الكفاءة الكلية في المساحة ، واستجابة الحجم غير المحدود بسبب طول الكابل الكبير.

نظام التحكم في اللامسة
نظام التحكم في المجسات داخل ALARS هو كل من الدماغ والجهاز العصبي ، واستشعار المنبهات ، وتجهيز التغذية المرتدة وتوليد الإجراءات تلقائيًا. وهو يتألف من عنصرين يعملان جنباً إلى جنب ؛ نظام التحكم منخفض المستوى (اللاوعي) ، وأنظمة التحكم في المشغل عالية المستوى (الواعية). نظام التحكم منخفض المستوى يشبه المنعكسات المرصودة الملاحظة في الطبيعة والبشر ، ومراقبة محفزات المستشعر وتتفاعل على الفور تقريبًا بدون التفكير الواعي. تتمثل الميزات الرئيسية الأربعة لنظام التحكم المنخفض المستوى في تعويض الحركة النشط ، والتضاريس النشطة التالية ، والتوتر المستمر ، والميزة التلقائية. تعد وحدة Active Motion Compensation (AMC) هي الميزة الرئيسية التي تفصل بين ونش كراكات (Kraken Tentacle). باستخدام سلسلة من خوارزميات تتبع الحركة والحركة الخاصة بتتبع الحركة ، يقوم نظام AMC بالتتبع المستمر للحركة (السرعة والاتجاه والموضع) لسفينة المضيف والحركة (السرعة والاتجاه والموضع) في KATFISH وحساب السرعة اللازمة وعزم الدوران يجب أن ينطبق على كابل ونش السحب من أجل التعويض عن حركات السفينة. تعمل وحدة AMC بشكل مستقل ، دون تدخل بشري أو تفكير واعي ، وتقوم بشكل فعال بإلغاء فصل حركة السفينة المضيفة من KATFISH ، مما يزيد بشكل كبير من المغلف التشغيلي لنظام KATFISH.

تسمح الوحدة النشطة التالية (ATF) لـ KATFISH بقيادة الونش. في هذه الحالة ، يكتشف KATFISH أن قاع البحر يرتفع أو يهبط ويصدر أمرًا إلى وحدة ATF لضبط نطاق الكبل تلقائيًا لمساعدة KATFISH على متابعة التضاريس بفعالية. تتم مراقبة سرعة دفع الكبل أو إعادة ضبطه وتغييره ، وفي حالة حالات الطوارئ مثل تجنب السفلية ، يمكن أن يكون الكبل مشدودًا بسرعة كبيرة.

تهدف وحدة التوتر المستمر (CT) ، كما يوحي اسمها ، إلى الحفاظ على توتر محدد ثابت على كبل السحب. يتم حساب ذلك بناءً على التغذية المرتدة من مستشعر عزم الدوران في المحرك ، وهو فعال جدًا في التخلص من نبضات التوتر المفاجئ على الكبلات بسبب موجات أو ارتفاعات صغيرة. تسمح هذه الوحدة أيضًا للونش بحمل KATFISH في رأس الإرساء أثناء الإطلاق والاسترداد دون وجود آلية التقاط إضافية.

توفر وحدة Auto Render (AR) ميزة آمنة من الفشل تسمح للنظام بدفع الكبل تلقائيًا إذا تجاوز حمل القطر الحد المعين مسبقًا. في أسوأ الحالات التي يؤثر فيها جسم السحب على قاع البحر ، أو يشابك نفسه على معدات بحرية أخرى ، يمكن أن يساعد هذا الدفع بالكبل على "تحرير" جسم السحب وتقليل مخاطر تلف جسم السحب مع التخلص من أي خطر لكسر الكبل.

يعتبر نظام التحكم عالي المستوى شبيهًا بالإجراءات الواعية للمشغل البشري ، ويسمح بالتحكم في الإطلاق ، والنشر ، والانتعاش ليكون يدويًا ، أو بعيدًا ، أو مستقلًا. لقد صممنا نظام التحكم ليكون مرنًا ، باستخدام اتصالات Ethernet و Wi-Fi طوال الوقت حتى يمكن دمج النظام بأكمله بسهولة مع أنظمة السفن الأخرى. يتكون نظام التحكم عالي المستوى من لوحة تحكم المشغل ولوحة التحكم الكهربائية ومحركات المشغل والورق ومجموعة متنوعة من مفاتيح التبديل وأجهزة الاستشعار للحد من نطاق الحركة واكتشاف الإطلاق الصحيح واستعادة KATFISH. تتكون لوحة المشغل من شاشة لمس وضوابط ومؤشرات يدوية. توفر شاشة اللمس (التي يمكن استخدامها مع القفازات ، في ظروف الطقس في العالم الحقيقي) للمشغل بيانات التشغيل الحالية والتاريخية ، وتكوين معلمات التشغيل والتنبيهات والتحذيرات. تتم مراقبة حالة وحدات التحكم المستقلة باستمرار ، ويتم بث المعلومات في الوقت الفعلي عبر واجهات Ethernet و Wi-Fi. يمكن للمشغلين مراقبة حالة التشغيل لاسلكيًا وعرض بيانات المفتاح مثل اتجاه الكبل والنطاق والسرعة والمعلمات الحرجة مثل درجة حرارة المحرك وحمل الكابل.

ميزات السلامة
السلامة هي الأولوية رقم واحد في أي عمليات بحرية ، وقد وضعت كراكن هذا في صميم القلب ضمن تصميم اللامسة. على الرغم من أن العديد من المخلوقات يمكن أن تنجو وتنسف أطرافها ، فإن البشر ليسوا أحدهم. تشتمل مجموعة الوان تنتش على مجموعة متنوعة من وحدات التحكم المستقلة والوحدات الذكية ، والتي تعطي الأولوية لسلامة المشغل البشري وأي طاقم آخر على سطح السفينة فوق كل شيء آخر.

لقد تأكدنا من أن ميزات السلامة كانت واضحة وسهلة الاستخدام. تحتوي كل لوحة تحكم على مفتاح إيقاف (E-stop) للطوارئ. تحتوي لوحة المشغل على محطة E إضافية يمكن توصيلها على متن رحلة جوية. عند الضغط على E-stop ، يقوم النظام على الفور بإيقاف تشغيل المحرك ويفصل الطاقة للمحركات. كما تنبه مجموعة متنوعة من التحذيرات على لوحة التشغيل المستخدم إلى المعلمات التي تتجاوز حدود التشغيل المحددة مسبقًا. توفر مجموعة الضوء المتحركة مع التنبيه الصوتي إشارة مرئية ومسموعة لحالة التشغيل.

على الرغم من أنها ليست بالسرعة التي تستخدمها الخلايا العصبية المستخدمة في انعكاسات الانسحاب في الطبيعة ، فإن نظام التحكم في المجسات يشتمل على معالج في الوقت الحقيقي ومصفوفة بوابة قابلة للبرمجة (FPGA) لاستجابات أمان فورية وحتمية يتم معالجتها بشكل مباشر في الأجهزة. هذا يضمن أن جميع ميزات السلامة والخزائن الآمنة تتفاعل على الفور ، بغض النظر عن الحالة التشغيلية للظنية

تطويرات مستقبلية
نحن نؤمن بأن نظام Tentacle Autonomous Launch and Recovery System و Intelligent Wech هو منصة ممتازة لمزيد من التطوير. إنه مزيج متعدد الاستخدامات للتقنيات الأساسية ، وكل واحدة من هذه التقنيات قابلة للتطوير بشكل أساسي لتطبيقات أكبر (أو أصغر).

في محاولة لتقليد ذاكرة الإنسان النموذجية ، تسجل الذاكرة الداخلية لوحسة الخنجر كل بيانات الحركة داخل النظام وأي أحداث حركة هامة (فوق درجة الحرارة ، عزم الدوران الزائد ، التوتر الزائد ، إلخ.) يمكن استخدام هذه البيانات ل لضبط وحدات نظام التحكم تلقائيًا من خلال تقنيات التعلم الآلي ، وتحسين أوقات الاستجابة والأداء العام ، وتعزيز تكييف ردود الفعل من المجسام.

وأحد الأمثلة على التطبيق المستقبلي قيد النظر هو سفن الإمداد وغيرها من السفن التي تواجه مشكلات في الحركة النسبية. سوف تستفيد هذه السفن بشكل كبير إذا تم تعزيز نظام تعويض الحركة عن طريق بيانات الحركة من منصة هدف عائمة. يمكن للنظام بعد ذلك تحديد الحركة النسبية بين المركبة المضيفة والنظام الأساسي المستهدف وضبط طول الكبل حتى لا يرى الهدف أي حركة نسبية بين نهاية الكبل والنظام الأساسي. مع توفر المزيد من تقنيات التحكم في الحركة المتطورة ، يمكن دمجها بسهولة في نظام Tentacle. مثلها في الطبيعة ، النظام قوي ومرن.

العرض: 1،330 ملم
العمق: 1،380 ملم
الطول: 1،550 ملم
الوزن: 12 كيلو نيوتن
كابل التطوير التنظيمي: 8-12 ملم
سعة الكابل: 2000 م
السحب: 15 كيلو نيوتن
القوة: 440 3Ø

المؤلف
ديفيد شيا هو نائب الرئيس للهندسة ، شركة كراكين روبوتيك سيستمز

(كما نشرت في طبعة يونيو 2018 من مراسل تكنولوجيا البحرية )