

Ein autonomes Unterwasserfahrzeug ( AUV ) ist ein Roboter , der sich unter Wasser fortbewegt, ohne dass ein Bediener ständig eingreifen muss. AUVs gehören zu einer größeren Gruppe von Unterwassersystemen, den unbemannten Unterwasserfahrzeugen (UUVs) . Diese Klassifizierung umfasst auch nicht-autonome, ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge (ROVs), die von einem Bediener/Piloten über eine Versorgungsleitung oder per Fernsteuerung von der Oberfläche aus gesteuert und mit Energie versorgt werden. Im militärischen Bereich werden AUVs häufiger als unbemannte Unterwasserfahrzeuge ( UUVs ) bezeichnet. Unterwassergleiter und Zielsuchtorpedos sind eine Unterklasse der AUVs.
Geschichte
Das erste autonome Unterwasserfahrzeug (AUV) wurde bereits 1957 am Applied Physics Laboratory der University of Washington von Stan Murphy , Bob Francois und später Terry Ewart entwickelt. Das „Self-Propelled Underwater Research Vehicle“ ( SPURV ) wurde zur Untersuchung von Diffusion, akustischer Übertragung und Unterwasserwirbeln eingesetzt.
Weitere frühe AUVs wurden in den 1970er Jahren am Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelt . Eines davon ist in der Hart Nautical Gallery des MIT ausgestellt. Zur gleichen Zeit wurden auch in der Sowjetunion AUVs entwickelt [ 1 ] (was allerdings erst viel später allgemein bekannt wurde).
Anwendungen
Diese Art von Unterwasserfahrzeugen hat sich in letzter Zeit zu einer attraktiven Alternative für die Unterwassersuche und -erkundung entwickelt, da sie kostengünstiger als bemannte Fahrzeuge sind. In den vergangenen Jahren gab es zahlreiche Versuche, Unterwasserfahrzeuge zu entwickeln, um den Herausforderungen von Erkundungs- und Bergungsprogrammen in den Ozeanen zu begegnen. Jüngst konzentrierten sich Forscher auf die Entwicklung von AUVs für die Langzeit-Datenerfassung in der Ozeanographie und im Küstenmanagement. [ 2 ]
Kommerziell
Die Öl- und Gasindustrie nutzt autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs), um vor dem Bau von Unterwasserinfrastruktur detaillierte Karten des Meeresbodens zu erstellen . So können Pipelines und Unterwasseranlagen kosteneffizient und mit minimalen Umweltauswirkungen installiert werden. AUVs ermöglichen es Vermessungsunternehmen, präzise Messungen in Gebieten durchzuführen, in denen herkömmliche bathymetrische Vermessungen weniger effektiv oder zu kostspielig wären. Auch die Überprüfung von verlegten Pipelines, einschließlich der Pipelineinspektion, ist nun möglich. Der Einsatz von AUVs zur Pipelineinspektion und zur Inspektion von Unterwasserbauwerken wird immer üblicher. Darüber hinaus werden AUVs für den potenziellen Tiefseebergbau und/oder die Gewinnung von polymetallischen Knollen entwickelt. [ 3 ]
Forschung

Wissenschaftler nutzen autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs) zur Erforschung von Seen, Ozeanen und dem Meeresboden. Verschiedene Sensoren können an AUVs angebracht werden, um die Konzentration verschiedener Elemente oder Verbindungen, die Absorption oder Reflexion von Licht sowie das Vorhandensein mikroskopischer Lebewesen zu messen. Beispiele hierfür sind Leitfähigkeits-, Temperatur- und Tiefensensoren (CTDs), Fluorometer und pH- Sensoren. Darüber hinaus können AUVs als Schleppfahrzeuge konfiguriert werden, um maßgeschneiderte Sensorpakete an bestimmte Orte zu transportieren.
Das Applied Physics Lab der University of Washington entwickelt seit den 1950er Jahren verschiedene Versionen seiner Seaglider -AUV-Plattform. Obwohl der Seaglider ursprünglich für die ozeanographische Forschung konzipiert wurde, hat er in den letzten Jahren großes Interesse bei Organisationen wie der US Navy oder der Öl- und Gasindustrie geweckt. [ 4 ]
Ein Beispiel für ein autonomes Unterwasserfahrzeug (AUV), das direkt mit seiner Umgebung interagiert, ist der von der Queensland University of Technology (QUT) entwickelte Dornenkronenseestern-Roboter ( COTSBot ). Der COTSBot spürt Dornenkronenseesterne ( Acanthaster planci ) auf und beseitigt sie – eine Art, die das Great Barrier Reef schädigt . Er nutzt ein neuronales Netzwerk, um die Seesterne zu identifizieren und injiziert Gallensalze, um sie abzutöten. [ 5 ]
Die Queensland University of Technology entwickelte außerdem den RangerBot AUV als Vorläufer des COTSBot, um das Great Barrier Reef und Riffe weltweit zu überwachen. Der RangerBot ist für den Einsatz durch eine einzelne Person konzipiert und bietet Echtzeit-Bordbildkameras für Navigation, Hinderniserkennung und Managementaufgaben. [ 6 ]
Hobby
Viele Robotik-Enthusiasten bauen autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs) als Hobby. Es gibt mehrere Wettbewerbe, in denen diese selbstgebauten AUVs gegeneinander antreten und verschiedene Ziele erreichen können. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] Wie ihre kommerziellen Pendants können auch diese AUVs mit Kameras, Scheinwerfern oder Sonar ausgestattet werden. Aufgrund begrenzter Ressourcen und mangelnder Erfahrung können Hobby-AUVs jedoch selten mit kommerziellen Modellen hinsichtlich Einsatztiefe, Robustheit oder technischer Raffinesse mithalten. Zudem sind diese Hobby-AUVs in der Regel nicht für den Einsatz im Meer geeignet, sondern werden meist in Pools oder auf Seeböden betrieben. Ein einfaches AUV lässt sich aus einem Mikrocontroller, einem PVC- Druckgehäuse, einem automatischen Türschlossantrieb, Spritzen und einem DPDT- Relais bauen. [ 10 ] Einige Wettbewerbsteilnehmer verwenden für ihre Konstruktionen Open-Source-Software. [ 11 ]
Illegaler Drogenhandel
Von illegalen Drogenhändlern wurden U-Boote entwickelt, die mithilfe von GPS-Navigation autonom zu ihrem Ziel fahren. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]
Flugzeugabsturzuntersuchungen
Autonome Unterwasserfahrzeuge wie beispielsweise das AUV ABYSS wurden zur Suche nach Wrackteilen vermisster Flugzeuge eingesetzt, z. B. Air France Flug 447 [ 16 ] , und das AUV Bluefin-21 wurde bei der Suche nach Malaysia Airlines Flug 370 eingesetzt . [ 17 ]
Militärische Anwendungen
Der Masterplan der US-Marine für unbemannte Unterwasserfahrzeuge (UUV) [ 18 ] identifizierte im Jahr 2004 die folgenden UUV-Missionen:
- Aufklärung, Überwachung und Erkundung
- Minenabwehrmaßnahmen
- U-Boot-Bekämpfung
- Inspektion/Identifizierung
- Ozeanographie
- Knoten des Kommunikations-/Navigationsnetzwerks
- Nutzlastauslieferung
- Informationsoperationen
- Zeitkritische Angriffe
Im Jahr 2014 teilte der Masterplan der Marine alle unbemannten Unterwasserfahrzeuge in vier Klassen ein: [ 19 ]
- Klasse der tragbaren Fahrzeuge: 25–100 lb Verdrängung; 10–20 Stunden Ausdauer; manueller Start von kleinen Wasserfahrzeugen aus (z. B. REMUS ; Mk 18 Mod 1 Swordfish UUV)
- Leichte Fahrzeugklasse: bis zu 500 lb Verdrängung, 20–40 Stunden Ausdauer; Start von einem RHIB mittels Start- und Bergungssystem oder durch Kräne von Überwasserschiffen (z. B. Mk 18 Mod 2 Kingfish UUV)
- Schwergewichtsfahrzeugklasse: bis zu 3.000 lb Verdrängung, 40–80 Stunden Einsatzdauer, Start von U-Booten
- Große Fahrzeugklasse: bis zu 10 Tonnen Verdrängung; Einsatz von Überwasserschiffen und U-Booten
Im Jahr 2019 bestellte die Marine fünf Orca- UUVs und beschaffte damit erstmals unbemannte U-Boote mit Kampffähigkeit. [ 20 ]
Während der russischen Invasion in der Ukraine 2022/23 erzielten die ukrainischen Streitkräfte bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung unbemannter Überwasserfahrzeuge (USV) mithilfe autonomer Steuerungsarchitekturen, teilweise mit telekommandierten Updates während der Mission. Diese wurden im Oktober 2022 bei einem Angriff mehrerer USV auf russische Marineschiffe im Marinestützpunkt Sewastopol [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] und im November 2022 bei Angriffen auf russische Marineeinrichtungen in Noworossijsk [ 24 ] eingesetzt . Im August 2023 folgten weitere Angriffe auf Noworossijsk [ 25 ] [ 26 ] . Die russische Marine passte daraufhin sowohl ihre Verteidigung als auch ihre Flottenstrategie an [ 27 ] [ 21 ] [ 28 ] , sodass die ukrainische Marine bis Januar 2024 autonome Unterwasserfahrzeuge (AUV) entwickelte, um ihre Offensivkapazitäten gegen die verbesserte russische USV-Abwehr, wie beispielsweise das Mehrzweck-AUV „Maritschka“ , zu erhöhen [ 29 ] .
Fahrzeugdesigns
In den letzten rund 50 Jahren wurden Hunderte verschiedener AUVs entwickelt [ 30 ] , doch nur wenige Unternehmen verkaufen diese Fahrzeuge in nennenswerten Stückzahlen. Etwa zehn Unternehmen bieten AUVs auf dem internationalen Markt an, darunter Kongsberg Maritime , HII (ehemals Hydroid, zuvor im Besitz von Kongsberg Maritime) [ 31 ] , Bluefin Robotics , Teledyne Gavia (ehemals Hafmynd), International Submarine Engineering (ISE) Ltd, Atlas Elektronik , RTsys [ 32 ] , MSubs [ 33 ] und OceanScan [ 34 ] .
Die Fahrzeuge reichen von tragbaren, leichten AUVs bis hin zu Fahrzeugen mit großem Durchmesser und über 10 Metern Länge. Große Fahrzeuge bieten Vorteile hinsichtlich Reichweite und Sensorkapazität; kleinere Fahrzeuge profitieren erheblich von einem geringeren logistischen Aufwand (z. B. geringerer Platzbedarf für Begleitschiffe; Start- und Bergungssysteme).
Einige Hersteller, darunter Bluefin und Kongsberg, profitierten von staatlicher Förderung. Der Markt lässt sich im Wesentlichen in drei Bereiche unterteilen: wissenschaftliche Anwendungen (einschließlich Universitäten und Forschungseinrichtungen), kommerzielle Offshore-Anwendungen (Offshore-Energie, Meeresmineralien etc.) und verteidigungsbezogene Anwendungen (Minenabwehr, Gefechtsfeldvorbereitung). Die meisten dieser Anwendungen basieren auf einem ähnlichen Design und operieren im Marschmodus (Torpedoboot-Typ). Sie sammeln Daten entlang einer vorgeplanten Route mit Geschwindigkeiten zwischen 1 und 4 Knoten.
Zu den kommerziell erhältlichen AUVs gehören verschiedene Bauarten, wie beispielsweise das kleine AUV REMUS 100, das ursprünglich von der Woods Hole Oceanographic Institution in den USA entwickelt und nun von HII kommerziell produziert wird; die AUV-Familie HUGIN, bestehend aus HUGIN, HUGIN Edge, HUGIN Superior und HUGIN Endurance, entwickelt von Kongsberg Maritime und der Norwegian Defence Research Establishment ; die Fahrzeuge von Bluefin Robotics mit 12 und 21 Zoll Durchmesser (300 und 530 mm); der Explorer von ISE Ltd.; der Solus LR von Cellula Robotics; die AUVs Comet und NemoSens von RT Sys; die Gavia, Osprey und SeaRaptor von Teledyne; und die AUV-Reihe L3 Harris Ocean Server Iver.
Die meisten AUVs gehören zur Vermessungs- oder Fahrtenklasse und haben eine zylindrische oder torpedoförmige Gestalt mit einem angetriebenen Propeller. Dies gilt als optimaler Kompromiss zwischen Größe, nutzbarem Volumen, hydrodynamischer Effizienz und einfacher Handhabung. Einige Fahrzeuge nutzen ein modulares Design, das den Bedienern einen einfachen Komponentenaustausch ermöglicht. Neuere Entwicklungen entfernen sich von der traditionellen Zylinderform und setzen stattdessen auf andere Bauformen, wie beispielsweise Saabs Hybrid-R/AUV Sabretooth oder der kürzlich vorgestellte HUGIN Edge. Diese optimieren entweder die Form entsprechend den Einsatzanforderungen (Sabretooth) oder nutzen die Vorteile eines geringen Wasserwiderstands (HUGIN Edge).
Der Markt hat sich seit 2010 weiterentwickelt, wobei der Fokus stärker auf Daten als auf Fahrzeugeigenschaften liegt. Die Betreiber sind technisch versierter, und der Einsatz von AUVs hat entsprechend zugenommen. Immer mehr Betreiber nutzen ihre Systeme autonom, anstatt die Fahrzeuge per akustischer Verbindung zu überwachen. Daher sind On-Board-Datenverarbeitung und Missionsautonomie zu wichtigeren Merkmalen von AUVs geworden. Die meisten AUVs verfügen über navigations- oder ereignisbasierte Autonomie. Sie folgen einem geografischen Missionsplan mit festgelegten Ereignissen, um Sensoren zu bedienen, den Kurs zu ändern oder zur Oberfläche zurückzukehren. Einige AUVs besitzen adaptive Autonomie, beispielsweise die Fähigkeit, den Kurs anzupassen, um Hindernissen auf der geplanten Route auszuweichen. Der aktuelle Stand der Technik umfasst Fahrzeuge, die die erfassten Daten ohne Bedienereingriff sammeln, verarbeiten und darauf reagieren.
Seit 2008 wird eine neue Klasse von AUVs entwickelt, die natürliche Konstruktionen nachahmt. Obwohl sich die meisten derzeit noch im experimentellen Stadium befinden, erreichen diese biomimetischen (oder bionischen ) Fahrzeuge durch die Nachahmung erfolgreicher natürlicher Designs eine höhere Effizienz bei Antrieb und Manövrierfähigkeit. Zwei Beispiele hierfür sind Festos AquaJelly (AUV) [ 35 ] und der EvoLogics BOSS Manta Ray [ 36 ] .
Sensoren
Autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs) sind mit Sensoren ausgestattet, um autonom zu navigieren und Meeresmerkmale zu kartieren. Typische Sensoren sind Kompasse , Tiefensensoren, Seitensichtsonare und andere Sonargeräte , Magnetometer , Thermistoren und Leitfähigkeitssonden. Einige AUVs verfügen über biologische Sensoren wie Fluorometer (auch Chlorophyllsensoren genannt ), Trübungssensoren sowie Sensoren zur Messung des pH- Werts und des gelösten Sauerstoffs .
Eine Demonstration in der Monterey Bay in Kalifornien im September 2006 zeigte, dass ein AUV mit einem Durchmesser von 21 Zoll (530 mm) ein 400 Fuß (120 m) langes Hydrophonarray ziehen kann, während es eine Reisegeschwindigkeit von 6 Knoten (11 km/h) beibehält.
Navigation
Radiowellen dringen nicht sehr tief in Wasser ein, daher verliert ein autonomes Unterwasserfahrzeug (AUV) beim Abtauchen sein GPS-Signal. Aus diesem Grund erfolgt die Navigation von AUVs unter Wasser üblicherweise per Koppelnavigation . Die Navigation kann jedoch durch den Einsatz eines akustischen Unterwasserpositionierungssystems verbessert werden . Beim Betrieb innerhalb eines Netzes von am Meeresboden installierten Basislinien-Transpondern spricht man von LBL-Navigation . Steht eine Oberflächenreferenz, beispielsweise ein Unterstützungsschiff, zur Verfügung, wird die Ultra-Short-Baseline- (USBL) oder Short-Baseline-Positionierung (SBL) verwendet, um die Position des Unterwasserfahrzeugs relativ zur bekannten ( GPS- )Position des Oberflächenfahrzeugs mithilfe von akustischen Entfernungs- und Peilungsmessungen zu berechnen. Um die Positionsbestimmung zu verbessern und Fehler bei der Koppelnavigation (die mit der Zeit zunehmen) zu reduzieren, kann das AUV auch auftauchen und eine eigene GPS-Positionsbestimmung durchführen. Zwischen den Positionsbestimmungen und für präzise Manöver berechnet ein Trägheitsnavigationssystem an Bord des AUVs per Koppelnavigation die Position, Beschleunigung und Geschwindigkeit des AUV. Schätzungen lassen sich mithilfe von Daten einer Inertialmesseinheit vornehmen und durch Hinzufügen eines Doppler-Geschwindigkeitslogs (DVL) verbessern , der die Geschwindigkeit über dem Meeres-/Seeboden misst. Typischerweise misst ein Drucksensor die vertikale Position (Fahrzeugtiefe), wobei Tiefe und Höhe auch aus DVL-Messungen gewonnen werden können. Diese Messwerte werden gefiltert , um eine endgültige Navigationslösung zu ermitteln.
Antrieb
Für autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs) gibt es verschiedene Antriebstechniken. Einige nutzen einen Elektromotor mit oder ohne Bürsten , ein Getriebe, eine Lippendichtung und einen Propeller, der von einer Düse umgeben sein kann oder nicht. Alle diese in die AUV-Konstruktion integrierten Bauteile sind am Antrieb beteiligt. Andere Fahrzeuge verwenden eine Triebwerkseinheit , um die Modularität zu gewährleisten. Je nach Bedarf kann das Triebwerk mit einer Düse zum Schutz vor Propellerkollisionen oder zur Geräuschreduzierung ausgestattet sein. Alternativ kann es als Direktantrieb ausgeführt sein, um maximale Effizienz bei minimalem Geräuschpegel zu erzielen. [ 37 ] Moderne AUV-Triebwerke verfügen über ein redundantes Wellendichtungssystem, das die Dichtheit des Roboters auch dann sicherstellt, wenn eine der Dichtungen während des Einsatzes ausfällt.
Unterwassergleiter bewegen sich nicht direkt fort. Durch die Veränderung ihres Auftriebs und ihrer Trimmung sinken und steigen sie wiederholt auf; Tragflächenprofile wandeln diese Auf- und Abwärtsbewegung in Vorwärtsbewegung um. Die Veränderung des Auftriebs erfolgt typischerweise durch eine Pumpe, die Wasser aufnehmen oder ausstoßen kann. Die Nickbewegung des Fahrzeugs kann durch Verlagern des Massenschwerpunkts gesteuert werden. Bei Slocum-Gleitern geschieht dies intern durch die Bewegung der auf einer Schraube montierten Batterien. [ 38 ] Aufgrund ihrer geringen Geschwindigkeit und der energieeffizienten Elektronik ist der Energiebedarf für die Trimmzyklen deutlich geringer als bei herkömmlichen autonomen Unterwasserfahrzeugen (AUVs), und Gleiter können monatelange Einsatzzeiten und transozeanische Reichweiten erreichen.
Kommunikation
Da sich Funkwellen unter Wasser schlecht ausbreiten, sind viele autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs) mit akustischen Modems ausgestattet, um Fernsteuerung und -kontrolle zu ermöglichen. Diese Modems nutzen typischerweise proprietäre Kommunikationstechniken und Modulationsverfahren. 2017 ratifizierte die NATO den ANEP-87 JANUS- Standard für Unterwasserkommunikation. Dieser Standard ermöglicht Kommunikationsverbindungen mit 80 Bit/s und flexibler, erweiterbarer Nachrichtenformatierung. Alternative Kommunikationstechniken, darunter optische, induktive und funkbasierte Verfahren, werden erforscht und können in multimodalen Lösungen kombiniert werden. [ 39 ] Zudem werden neuartige Kommunikationstechniken evaluiert, die die Infrastruktur als Kommunikationspfad nutzen, um alternative Kommunikationswege und -möglichkeiten von den Fahrzeugen aus zu schaffen. [ 40 ]
Leistung
Die meisten heute eingesetzten autonomen Unterwasserfahrzeuge (AUVs) werden von wiederaufladbaren Batterien ( Lithium-Ionen , Lithium-Polymer , Nickel-Metallhydrid usw.) angetrieben und sind mit einem Batteriemanagementsystem ausgestattet . Einige Fahrzeuge nutzen Primärbatterien , die die Reichweite bis zu verdoppeln können – allerdings zu deutlich höheren Kosten pro Mission. Früher kamen in einigen Systemen halbleitende Brennstoffzellen auf Aluminiumbasis zum Einsatz , diese erfordern jedoch einen hohen Wartungsaufwand, teure Nachfüllungen und produzieren Abfallprodukte, die sicher entsorgt werden müssen. Ein neuer Trend ist die Kombination verschiedener Batterie- und Energiesysteme mit Superkondensatoren .
Siehe auch
- Interventions-AUV – Art von autonomem Unterwasserfahrzeug, das zu autonomen Interventionen fähig ist
- Unterwassergleiter – Art von autonomem Unterwasserfahrzeug
- Bionik – Anwendung natürlicher Systeme in der Technologie
- Biomimetik – Nachahmung biologischer Systeme zur Lösung menschlicher Probleme
- Monterey Bay Aquarium Research Institute – Amerikanisches ozeanographisches Forschungsinstitut
- Amt für Marineforschung – eine Behörde innerhalb des US-Marineministeriums
- Nationales Ozeanographiezentrum, Southampton – Zentrum für Forschung, Lehre und Technologieentwicklung in den Bereichen Ozean- und Geowissenschaften
- DeepC – Autonomes Unterwasserfahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb
- Ghost Shark (U-Boot) – Autonomes Unterwasserfahrzeug
- Nationales Institut für Unterwasserwissenschaft und -technologie – Forschungsorganisation innerhalb der NOAA
- AUV-150 – Unbemanntes Unterwasserfahrzeug
- REMUS (AUV) – Autonome Unterwasserfahrzeugserie
- MAYA AUV – Autonomes Unterwasserfahrzeug des Nationalen Instituts für Ozeanographie, Indien
- Torpedo – Selbstfahrende Unterwasserwaffe
- Theseus (AUV) – Großes autonomes Unterwasserfahrzeug zur Verlegung von Glasfaserkabeln
- Eelume – Autonomes Unterwasserfahrzeug, das von Eelume AS entwickelt wird
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