Selvstyrte roboter til sjøs

De siste par årene har Trondheimsfjorden vært arena for uttesting av førerløse båter. Forskere ved NTNU har utviklet nye styringssystemer for slike maritime roboter.

Publisert
Denne båten har ingen fører. Den er heller ikke fjernstyrt. Likevel manøvrerer den trygt mellom andre fartøy. (Foto: Maritime Robotics)
Denne båten har ingen fører. Den er heller ikke fjernstyrt. Likevel manøvrerer den trygt mellom andre fartøy. (Foto: Maritime Robotics)

Etter all sannsynlighet er de først i verden med disse løsningene.

Når vi hører om førerløse fartøy, tenker vi gjerne på militære fly eller undervannsbåter. Eller kanskje farkoster som sakte ruller rundt på Mars for å ta prøver. Verden har hørt lite om førerløse fartøy som ferdes på vannet.

Det er kanskje ikke så rart. Slike varianter er lite utviklet. Skjønt – ikke helt. Førerløse båter, såkalte USV-er (Unmanned Surface Vehicles), har vært brukt i militær sammenheng siden 2. verdenskrig.

Da i form av enkle, fjernstyrte småbåter – enten brukt som skyteskiver for bemannede marinefartøy eller som verktøy i farlige mineryddingsoperasjoner.

Siden har fokuset vært mest rettet inn mot å utvikle avansert førerløs teknologi til bruk enten i lufta eller under vann. Dermed har den viktige plattformen som binder disse to adskilte områdene sammen, blitt oversett.

Amerikanerne har først i løpet av de senere årene vist interesse for mer sofistikert USV-teknologi. Likevel, den kommersielle USV-teknologien som finnes i dag, brukes stort sett kun militært. For eksempel anvendes fjernstyrte småbåter til havneovervåking i områder som Midtøsten og Singapore.

Forskernes utfordring er nå å ta steget fra fjernstyring til selvstyring. Slik at de førerløse båtene delvis eller helt kan operere på egen hånd for å løse ulike oppdrag. Som å frakte varer fra A til B uten å kollidere med andre fartøyer. Eller å kjøre i formasjon tilknyttet et moderskip, uten på forhånd å vite hvor moderfartøyet har tenkt seg.

Følger mors bevegelser

Et slikt formasjonsstyringssystem står Morten Breivik bak. Han er forsker ved NTNUs Centre for Ships and Ocean Structures (CeSOS). Med hans system kan altså et antall USV-er henge seg på et bemannet moderfartøy og nøyaktig følge dets bevegelser.

– Andre forskningsgrupper i verden jobber med å få USV-er til å kjøre samlet i forhold til et forhåndsbestemt geometrisk mønster, forteller Breivik.

– Med systemet vi har utviklet, trenger ikke USV-ene på forhånd å vite banen de skal følge. De kan koble seg på moderskipet etter behov og tett følge dets bevegelser. Kapteinen på moderfartøyet kan dermed styre sitt fartøy som han vil, uten å måtte følge noen forhåndsdefinert kjørerute.

– Så vidt jeg vet, er NTNU først i verden med denne teknologien som gjør at USV-er til å følge bevegelsene til andre fartøyer i stor hastighet, sier Breivik, og tar et forbehold ettersom han ikke vet hva som foregår i militærlaboratorier rundt i verden.

Jakter på et punkt

Breivik har hentet matematiske formler, såkalte algoritmer, fra rakettstyringsbransjen og tilpasset dem det marine miljøet.

– På samme måte som en rakett jakter på et fiendtlig fly i luften, jakter de ubemannede båtene på et virtuelt, bevegelig punkt på havets overflate. Dette punktet ligger i en definert posisjon i forhold til moderskipet og beveger seg sammen med det, forklarer han.

– Og for at det skal kunne gå an, må alle følgefartøyene vite posisjonen, kursen og hastigheten til moderfartøyet. Denne informasjonen sender moderskipet ut ved hjelp av radiosignaler.

Førerløse båter i formasjonsstyring kan søke over store områder om gangen og kutte drastisk ned på tiden det tar å lete etter olje- og gassressurser. (Illustrasjon: Maritime Robotics)
Førerløse båter i formasjonsstyring kan søke over store områder om gangen og kutte drastisk ned på tiden det tar å lete etter olje- og gassressurser. (Illustrasjon: Maritime Robotics)

Breivik forteller at det også finnes et båtidentifikasjonssystem, AIS (Automatic Identification System), som forplikter alle båter over en viss størrelse å sende ut informasjon om hvordan de beveger seg til andre skip i umiddelbar nærhet.

Denne informasjonen kan naturligvis også anvendes av USV-ene. I tillegg kan de utstyres med sensorer som gjør dem i stand til selv å utlede moderfartøyets bevegelse hvis alle andre løsninger skulle svikte.

Rask kartlegging

– I dag gjennomføres alle kartleggingsoperasjoner til sjøs av bemannede fartøy som har begrenset kapasitet, sier Breivik.

– Med USV-basert formasjonsstyring kan man for eksempel kutte drastisk ned på tiden det tar å kartlegge havbunnsområder eller lete etter olje- og gassressurser. Kartleggingsfartøyene vil kunne knytte til seg et ønsket antall USV-er for å kunne skanne mye bredere områder om gangen.

I denne sammenhengen fungerer altså USV-ene som målepunkter for datainnsamling, som kan spres dit man vil ved behov.

Kollisjonssikkert

CeSOS har også et annet ess i ermet: et avansert kollisjonsunngåelsessystem. Det er laget som en del av masteroppgaven til kybernetikkstudent Øivind Loe.

Hvis en førerløs båt skal kunne manøvrere trygt på egen hånd, må den kunne styre unna andre båter, men også mindre objekter i vannskorpa, som kajakkpadlere og tømmerstokker.

Den må kunne takle enhver situasjon, som å manøvrere seg inn i trange og trafikkerte havner. Og den må selvsagt vite hvor land og skjær i sjøen befinner seg.

Loe har laget et system som kombinerer to algoritmer som hver for seg er gode på henholdsvis langtids- og korttidsplanlegging. Dermed kan en førerløs båt planlegge en kollisjonsfri reiserute fra A til B basert på elektroniske kartdata.

Men den kan også korrigere ruten underveis hvis kartet viser seg å være feil eller hvis andre fartøyer på sjøen forandrer hastighet eller kurs.

– Dette systemet er etter min mening noe av det beste som fins i verden i dag, sier Breivik.

– Datamaskiner er mye flinkere og nøyaktige enn oss mennesker til å planlegge seg ut av kollisjonssituasjoner med mange båter på kryssende kurs og i ulike hastigheter.

– Hovedutfordringen for å ta i bruk systemet ligger i sensorløsningene. Det må først utvikles en sammensatt sensorpakke som vi kan stole på at kan registrere både små og store objekter i alle typer sikt og værforhold.

– Et slikt system vil kunne gi langt færre kollisjoner enn det som er tilfelle med dagens bemannede båttrafikk. Spesielt tenker jeg da på langtransport av varer til sjøs, sier han.

Men han legger til at man i passasjerbåter av flere grunner nok alltid bør ha med mannskap.

Mange funksjoner

De klare fordelene med førerløs teknologi er å kunne redusere mannskapskostnader, effektivisere operasjoner og spare liv. I tillegg vil mennesker aldri kunne manøvrere så presist som GPS-styrte båter kan.

Maritime roboter kan brukes på mange felt, for eksempel i katastrofeområder, i ekstreme omgivelser eller i sterkt forurensede områder. De kan tenkes brukt til å overvåke territorielle farvann, være et redskap for Kystvakten i kampen mot tjuvfiske, eller hjelpe havnepolitiet å oppdage fartssyndere.

De kan brukes til å patruljere og beskytte offshore-installasjoner og skip i piratfarvann, men også ha en rolle i leting og utvinning av olje og gass. De kan i tillegg benyttes i militært øyemed. Og til transport og fritid.

Morten Breivik ser ikke bort fra at det om 10-20 år går ubemannede lasteskip i skytteltrafikk mellom verdens store havner. Eller at den som har råd, kan legge fra kai med fritidsbåten programmert for de greske øyer, vel vitende om at ferden vil foregå trygt og kollisjonsfritt uten at man trenger å løfte en finger annet enn for kaffekoppen…

Nesten ingen grenser

– Når det gjelder ubemannet teknologi, er mulighetene enorme. Snart er det bare fantasien som setter grenser for hva man kan gjøre i praksis.

– Den samtidige utviklingen innenfor båtdesign, materialteknologi, datamaskiner, kommunikasjonsløsninger, navigasjons- og sensorsystemer, samt krafttilførsel, muliggjør styringssystemer som de færreste kunne forestille seg for bare få år siden.

– Vi er nå i startgropen av en teknologisk utvikling som kommer til å snu opp ned på det meste. I USA utdanner luftforsvaret allerede flere operatører av UAV-er enn piloter for bemannede fly.

– Norge har nå en gyllen mulighet til å satse på ubemannet teknologi for sivile og maritime anvendelser, avslutter en engasjert og optimistisk Morten Breivik ved CeSOS.