PC-based Control im Marine- und Umweltbereich
Etwa 70 % des Mülls in Gewässern sinkt auf den Grund der Meere oder zerfällt in Mikro- und Nanoplastik – in Summe mehrere 10 Mio. t. Auf Grundlage eines KI-basierten Systems wurde im Rahmen des Forschungsprojekts MAELSTROM ein autonomer Roboter für Gewässer bis 20 m Tiefe entwickelt, der selektiv Objekte identifiziert und einsammelt. Die Generalprobe hat das mit PC-based Control automatisierte System im September 2022 in den Kanälen Venedigs bestanden.
Wer verhindern will, dass Müll die empfindlichen Ökosysteme unter Wasser vergiftet oder Mikro- und Nanoplastik über die Nahrungsketten in unsere Körper gelangt, muss sowohl die weitere Verschmutzung der Gewässer verhindern als auch den bereits vorhandenen Müll einsammeln. Genau das hat das europäische Projekt Horizon 2020 – MAELSTROM zum Ziel: Die Entwicklung und Integration von Technologien zur Identifizierung, Entfernung, Sortierung und Umwandlung aller Arten von Meeresmüll in Rohstoffe. Dazu hat ein internationales Forschungsteam, bestehend aus TECNALIA, Spanien, CNRS-LIRMM aus Frankreich und der italienischen Servizi Tecnici, die „Robotic Seabed Cleaning Plattform“ entwickelt. Deren Kernkomponente ist ein Unterwasserroboter mit Greifer und Saugeinrichtung, der sich in sechs Freiheitsgraden mithilfe von acht Seilwinden flexibel bewegen kann.
Über Sensoren und Kameras erkennt der Roboter den Müll auf dem Meeresboden, positioniert sich automatisch darüber und kann bis zu 130 kg schwere Gegenstände (z. B. Fahrräder, Reifen, Kisten und Netze) heben. Kleinere Teile oder im Wasser treibende Kunststoffe werden über einen Sauger geborgen. „Da wir von der Oberfläche aus operieren und Greifer oder Sauger nur bei Bedarf aktivieren, erreichen wir eine hohe Selektivität und minimieren so die Auswirkungen auf das Ökosystem am Meeresboden“, erklärt Mariola Rodríguez, MAELSTROM-Projektmanagerin bei TECNALIA.
Die Positionierungswinden werden über Servoverstärker AX5118 und Servomotoren AM8071 von Beckhoff synchron angesteuert. „Um ein robustes, genaues und schnelles Positionieren zu gewährleisten, haben wir bürstenlose Synchron-Servomotoren gewählt“, betont Jose Gorrotxategi, Elektronikingenieur im Cable Robotics Team von TECNALIA. Ein weiterer Vorteil: Die One Cable Technology (OCT) der Antriebe reduziert den Verdrahtungsaufwand und Platzbedarf an den Winden. Über die Stahlseile der Winden lässt sich das Robotergestell unter Wasser präzise positionieren und mit hoher Steifigkeit an Ort und Stelle halten, trotz der mitunter kräftigen Strömungen. Encoder auf den Motorwellen erfassen die Winkelposition und Umdrehungen der Seiltrommeln und damit indirekt die Länge des aufgewickelten Seils.
Elektromagnetische Bremsen und die Überwachung der Seilspannungen mittels Kraftsensoren gewährleisten die erforderliche Sicherheit. Falls die Messwerte außerhalb des zulässigen Bereichs liegen, stoppt der Seilroboter sofort und eine Fehlermeldung erscheint in der Visualisierung.
Sensorik-Cluster über und unter Wasser
Für die Steuerung und Überwachung enthält der Rahmen des Unterwasser-Seilroboters eine Reihe von Sensoren und Kameras für den manuellen, automatischen und ferngesteuerten Betrieb. „Die Kameras und Beleuchtungen ermöglichen eine manuelle Steuerung – vorausgesetzt, die Wassertrübung ist nicht zu hoch“, ergänzt Pierre-Elie Herve, Ingenieur für Maschinenbau und Steuerungstechnik bei TECNALIA in Montpellier. Interessante Stellen am Meeresboden kann der Bediener im Kamerabild anklicken, die der Roboter dann eigenständig anfährt. Ein Drucksensor am Robotergestell erfasst die Tauchtiefe, eine Inertiale Messeinheit (IMU) regelt dessen Lage im Wasser. Den Abstand der mobilen Plattform zum Meeresboden und ihre relative Geschwindigkeit dazu, erfasst ein Doppler Velocity Log (DVL) über vier Sonarsensoren.
Auf dem Ponton an der Wasseroberfläche befinden sich weitere Sensoren, darunter ein Drucksensor zur Kompensation des atmosphärischen Drucks bei der Tiefensteuerung. Zwei Real Time Kinematic GPS bestimmen in Echtzeit die Position und vertikale Ausrichtung des Lastkahns. Sämtliche Daten dieser unterschiedlichen Systeme fließen in die Steuerung und Positionsregelung des Roboters mit ein. Auf Basis dieser Werte kann die Roboterplattform beispielsweise die auf Tiefenkarten (Bathymetrie-Karte) zuvor ausgewählten Positionen exakt anfahren und halten, was die Arbeit des Roboters beschleunigt. „Diese Fähigkeit hat sich in dem sehr trüben Wasser der Lagune von Venedig als Schlüsselmerkmal erwiesen“, stellt Mariola Rodríguez heraus.
Steuerung und Kommunikation des Seilroboters
Die Steuerung des Unterwasserseilroboters mit seinen insgesamt zwölf Achsen − acht Winden und vier vertikal verfahrbare Schlitten an den Ponton-Masten − übernimmt TwinCAT 3, installiert auf einem Schaltschrank-Industrie-PC C6650. Dieser ist im Hauptschaltschrank installiert, der sich im Kontrollraum befindet. Für den sicheren Betrieb sorgen neben der Seitkraftüberwachung mehrere Not-Halt-Taster entlang der Anlage (Kontrollraum, Funksteuerung und Winden). Die entsprechende Sicherheitslogik wird von einer EtherCAT-Klemme EL6910 mit TwinSAFE Logic ausgeführt. Die Servoantriebe mit integrierten Bremsen sind über TwinSAFE-Drive-Optionskarten AX5805 in die Safety-Applikation eingebunden.
Weitere vier Verteilerkästen, dezentral an den Seilwinden montiert, enthalten die I/O-Schnittstellenmodule sowie die Elektronik für die Seilkraftmessung. Die Verbindung zwischen Steuerschrank und Verteilerkästen erfolgt über Ethercat P. Dazu Jose Gorrotxategi: „Diese Erweiterung der EtherCAT-Technologie ermöglicht es, in einem einzigen Kabel sowohl die DC-Versorgung als auch die EtherCAT-Echtzeitkommunikation zu übertragen.“
Steuerung der Roboterplattform
Bei der Steuerung der Teleoperationen des Seilroboters per Joystick verwendet der Bediener die geschätzte Position der mobilen Unterwasserplattform sowie die auf der mobilen Plattform befindlichen Kameras. Über das HMI kann der Bediener die verschiedenen Steuerungsmodi anwählen und anhand der Sensorwerte alle Funktionen überwachen – zusätzlich zur visuellen Kontrolle per Unterwasser-Kameras.
Das Kamerasystems zur Wahrnehmung unter Wasser ermöglicht vor allem die visuelle Servosteuerung: Sobald der Bediener Meeresmüll sieht (aufgrund der Wassertrübung in relativ geringer Entfernung zur Kamera), kann er diesen im Kamerabild anklicken und die mobile Plattform des Seilroboters fährt den Müll automatisch an.
In das HMI integriert ist zudem eine Tiefenkarte, die mit dem DVL-System und den Kameras erstellt wurde. Der Bediener kann einen beliebigen Punkt in diesem Bild anwählen, den die mobile Plattform dann ansteuert. Neben der manuellen Bedienung kann das Gestell auch autonom Müll identifizieren, ansteuern und einsammeln. „Das funktioniert auf Basis künstlicher Intelligenz, die in der Lage ist, den Meeresmüll zu identifizieren und das am besten geeignete Entfernungsgerät auszuwählen“, präzisiert Pierre-Elie Herve.
Die für die Roboterplattform zur Reinigung des Meeresbodens entwickelte Software berechnet in Echtzeit die geografische Position des Roboters dank Echtzeit-GPS (Real Time Kinematic, RTK) und der Trägheitsmessgeräte – Geräte, die die Position bzw. die Ausrichtung messen und melden sowie gleichzeitig die Winden überwachen und steuern. Außerdem wird die Position des Roboters auf der Karte des Meeresbodens angezeigt, auf der auch die Position der Abfälle eingezeichnet ist. Der Roboter kann sich entweder im automatischen Modus bewegen, die Software bestimmt dann die „Flugbahn im Wasser“, oder im manuellen Modus per Joystick. Während der Bewegungen tastet eine Kamera in Kombination mit einem akustischen Sensor den Meeresboden ab, um die Tiefe (Bathymetrie) zu messen und den Müll zu erkennen. Diese Daten werden georeferenziert und in Echtzeit in der Karte eingeblendet.
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