क्राकेन के तेंदुए स्वायत्त लार्स से मिलें

चित्रा 1: तेंदुए का पहला पुनरावृत्ति क्रैकन के कैटफ़िश के लिए बनाया गया है। (छवि: क्राकेन)

चित्रा 2: क्राकेन के तेंदुए इंटेलिजेंट विनच (छवि: क्राकेन)

चित्रा 3: नमूना प्रदर्शन (छवि: क्राकेन)

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हाथी के टुकड़ों से ऑक्टोपस पैरों तक, प्रकृति सटीक हेरफेर पर उपयुक्त तम्बू के साथ होती है।

क्रैकन रोबोटिक्स में, हम देखना चाहते थे कि प्रकृति समुद्री वाहनों और उपकरणों को लॉन्च करने और पुनर्प्राप्त करने के लिए बेहतर हेरफेर तरीकों के बारे में हमें क्या सिखा सकती है। हाथी, ऑक्टोपस और जेलीफ़िश-और यहां तक ​​कि कभी-कभी मांसाहारी पौधों जैसे जीवों में परिष्कृत फीडबैक लूप और गतिशील प्रतिक्रिया समय से प्रेरित होकर हमने 18 महीने का शोध और विकास कार्यक्रम बायोमेमेटिक डिजाइन में किया।

पानी से बाहर निकलना या बाहर समुद्र विज्ञान उपकरणों के किसी भी टुकड़े के लिए अब तक का सबसे ज्यादा जोखिम वाला ऑपरेशन है। इसमें कई गतिशील घटक शामिल होते हैं, जो लहर ऊंचाई, पोत गति, हवा की दिशा और धाराओं से प्रभावित होते हैं। चूंकि उपकरण नाज़ुक और महंगे हैं, इसलिए लॉन्च और रिकवरी के दौरान बहुत सावधानी बरतनी चाहिए।

डार्टमाउथ, नोवा स्कोटिया में स्थित क्राकेन हैंडलिंग सिस्टम ग्रुप ने आर एंड डी कार्यक्रम का नेतृत्व किया। हमने जो सबक सीखा, और हमने जो ज्ञान हासिल किया, वह क्रैकन तेंदुए स्वायत्त लॉन्च और रिकवरी सिस्टम (ALARS) के विकास में समाप्त हुआ।

क्राकेन तेंदुए एक विशिष्ट प्रणाली नहीं है। यह विभिन्न प्रकार के tethered और untethered पानी के नीचे वाहनों के लिए मॉड्यूलर, स्केलेबल लॉन्च और वसूली समाधान लागू करने के लिए इस्तेमाल प्रौद्योगिकियों का एक परिवार है। तेंदुए का पहला पुनरावृत्ति क्रैकन के कैटफ़िश (चित्र 1) के लिए सक्रिय रूप से स्थिर वाहन को स्थिर करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जिसका मुख्य पेलोड क्रैकन एक्वापिक्स सिंथेटिक एपर्चर सोनार है। भविष्य के संस्करण अन्य वाहनों को भी समायोजित करेंगे। अपने अंतिम परीक्षण के पूरा होने के बाद, हम अगस्त 2018 में तेंदुए को लॉन्च करने की उम्मीद करते हैं

घर में एक एकीकृत सेंसर, प्लेटफॉर्म और एलएआरएस विकसित करके, हम एक पूर्ण विक्रेता, विश्वसनीय पैकेज प्रदान करते हैं जो एक विक्रेता द्वारा समर्थित है और मेजबान पोत से केवल विद्युत शक्ति की आवश्यकता होती है।

तेंदुए बुद्धिमान विनच
हैंडलिंग सिस्टम के डिजाइनर अक्सर विंच के लिए बाहरी निर्माताओं के पास जाते हैं और फिर इसे अपने लॉन्च और रिकवरी सिस्टम में एकीकृत करते हैं। तेंदुए के शोध के शुरुआती दौर में, हमने स्वीकार किया कि Winch सिस्टम का दिल होना चाहिए, केवल केबल भुगतान और रील में ज्यादा प्रदान करने की क्षमता के साथ। लॉन्च और रिकवरी प्रक्रिया में मुख्य चालक के रूप में, चरखी जहाज गति और वाहन गति के लिए काफी क्षतिपूर्ति के लिए डिजाइन किया जा सकता है।

प्रकृति में अपने नाम की तरह, तेंदुए इंटेलिजेंट विनच बाहर से बाहर निकल सकता है, लेकिन इसकी असली क्षमताएं भीतर हैं। पूरी तरह से एकीकृत इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण मॉड्यूल गतिशील मैनुअल, अर्द्ध स्वायत्त या चरखी के पूरी तरह से स्वायत्त नियंत्रण के लिए परिष्कृत एल्गोरिदम होस्ट करता है। एकीकृत गति संदर्भ इकाई मेजबान पोत की गति को ट्रैक करती है, और परिष्कृत ऑनबोर्ड सॉफ्टवेयर मॉडल और समुद्र की स्थिति की भविष्यवाणी करती है। यह विंच को तरंग चोटी और चट्टानों के समय की भविष्यवाणी करने और टॉव केबल के माध्यम से इनपुट गड़बड़ी को कम करने के लिए मोटर पर परिवर्तनीय टोक़ को अनुकूलित करने की अनुमति देता है।

ऑपरेटर पारंपरिक सिस्टम में उन लोगों के समान मैन्युअल स्विच इनपुट के माध्यम से या सुरक्षित ईथरनेट और वाई-फाई इंटरफेस के माध्यम से दूरस्थ रूप से तेंदुए विनच के मैन्युअल नियंत्रण प्राप्त कर सकता है। एक अर्ध-स्वायत्त मोड उच्च समुद्र में टॉव केबल पर इनपुट गड़बड़ी को कम करने के लिए गतिशील वृद्धि (फ्रंट / बैक मोशन) और हेव (अप / डाउन मोशन) मुआवजे के लिए अनुमति देता है। एक पूरी तरह से स्वायत्त मोड कैटफ़िश टॉव बॉडी को विनच कमांड करने की अनुमति देता है। चूंकि पानी की गहराई बढ़ जाती है या घट जाती है, तो कैटफ़िश गहराई से गहराई को माप सकता है और विंच को रील करने या भुगतान करने का आदेश देता है। यह गतिशील वातावरण में भी पूरी तरह से स्वचालित नीचे-टालने के लिए प्रयास करने की इजाजत देता है, जिससे सुरक्षा बढ़ जाती है।

तेंदुए विनच को बुद्धिमान और मजबूत दोनों के रूप में डिजाइन किया गया है। यह एमआईएल-एसटीडी 901 डी के सैन्य सदमे और कंपन आवश्यकताओं के साथ-साथ लॉयड के रजिस्टर और डीएनवी-जीएल कोड के सख्त अंतर्राष्ट्रीय मानकों को पूरा करता है। यह एक पूरी तरह से विद्युत प्रणाली है, जो बेहतर प्रतिक्रिया समय प्रदान करती है और माध्यमिक हाइड्रोलिक पावर इकाइयों की आवश्यकता को खत्म करती है। और इसे छोटे मानव रहित सतह जहाजों से बड़े अपतटीय समर्थन जहाजों तक, जहाजों की एक विस्तृत श्रृंखला पर एकीकृत किया जा सकता है।

कंडीशनर रिफ्लेक्स
प्रकृति में, हम मनुष्यों सहित जीवों के प्रतिबिंब और मांसपेशियों की स्मृति के संदर्भ में अक्सर सुनते हैं। प्रतिबिंबों को व्यापक रूप से क्रिया या क्रिया के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जो मस्तिष्क को उत्तेजना के बारे में जागरूक रूप से अवगत होने से पहले होता है, और दो श्रेणियों में विभाजित होता है; वापसी प्रतिबिंब, और वातानुकूलित प्रतिबिंब। इस लेख में हम बाद वाले पर ध्यान केंद्रित करेंगे।

कंडीशनर रिफ्लेक्स, जिन्हें आमतौर पर "मांसपेशियों की स्मृति" कहा जाता है, वे रिफ्लेक्स हैं जो अनुभव के परिणामस्वरूप हासिल किए गए हैं। मनुष्यों के मामले में, एक उदाहरण गेंद को पकड़ना है; एक बच्चे के रूप में, हमें खेल के माध्यम से फेंकने और पकड़ने की यह सरल कार्रवाई सिखाई जाती है। एक वयस्क के रूप में, जब एक इंसान को गेंद को फेंक दिया जाता है, तो वह जमीन पर गिरने से पहले इसे पकड़ने के लिए सहजता से पहुंच जाएगा, और प्रतिबिंब यह सुनिश्चित करता है कि संतुलित मांसपेशियों को परेशान किया जाता है, और गेंद के अपेक्षित वजन की क्षतिपूर्ति के लिए छोटे समायोजन किए जाते हैं ।

समुद्री उपकरणों के दायरे में हमारे समानता को वापस करने के लिए, हम एक मानक हाइड्रोलिक चरखी या एलएआरएस के मानव ऑपरेटर की तुलना करते हैं। एक युवा डेकहैंड को जहाजों की गतिशीलता और सागर के साथ बातचीत को समझने के लिए समुद्र में व्यापक प्रशिक्षण और समय की आवश्यकता होती है। इसके विपरीत, वर्षों के अनुभव के साथ एक अच्छी तरह से अनुभवी नाविक ने जहाज, लहर की स्थिति, लॉन्च का समय या लहरों की अवधि के साथ उपकरणों की वसूली की निगरानी की निगरानी करने के लिए खुद को "प्रशिक्षित" किया है, अक्सर बिना किसी सोच के यह। इस अनुभव को एक वातानुकूलित प्रतिबिंब की तुलना में समझा जा सकता है, जिसमें मनुष्य इतनी जल्दी से कई क्रियाएं कर रहा है कि उन्हें बिना किसी सचेत विचार के निष्पादित किया जाता है।

यह वास्तव में इन जैविक रूप से वातानुकूलित प्रतिबिंब है कि हमारा उद्देश्य तेंदुए विनच के डिजाइन में नकल करना और तेंदुए नियंत्रण प्रणाली में शामिल होना है।

मोशन मुआवजा
टेंटकल विनच का प्राथमिक उद्देश्य लॉन्च, प्रदर्शन और कैटफ़िश सिस्टम जैसे सेंसर प्लेटफॉर्म की वसूली के प्रदर्शन लिफाफे को बढ़ाने के लिए है। यह टॉवड सेंसर प्लेटफ़ॉर्म में अवांछित सतह पोत गति के युग्मन को कम करके इसे प्राप्त करता है, जो टॉवड प्लेटफ़ॉर्म की स्थिरता और सुरक्षा को बनाए रखने के लिए आवश्यक है। पोत गति के decoupling के लिए डिजाइन मोशन मुआवजे प्रणाली या तो निष्क्रिय या सक्रिय रूप से नियंत्रित किया जा सकता है। यद्यपि निष्क्रिय प्रणाली आमतौर पर सरल होती है, वे गति की आवृत्ति और परिमाण में सीमित होती हैं, जो वे निष्क्रिय कर सकते हैं और निष्क्रिय नमी प्रणाली (जैसे वसंत-डैपर में) की अंतर्निहित प्राकृतिक आवृत्ति के कारण अनुनाद के मुद्दों का कारण बन सकते हैं। सौभाग्य से, नियंत्रण प्रणाली प्रौद्योगिकी में प्रगति के साथ, सक्रिय प्रणाली बहुत कम जटिल और कम महंगी हो रही हैं।

अधिकांश सक्रिय सिस्टम हेव गति के लिए क्षतिपूर्ति करते हैं। हालांकि, यूएसवी जैसे छोटे सतह जहाजों के लिए, वृद्धि गति एक प्रमुख कारक हो सकती है, खासकर जब टॉइंग वाहन के पीछे की दूरी टॉवड बॉडी की गहराई की तुलना में अधिक होती है। इस वजह से, हमने क्रावेन सिस्टम को हेवी और उछाल दोनों की भरपाई करने के लिए डिज़ाइन किया है।

गति मुआवजे प्रणालियों के तीन सामान्य प्रकार जहाज पर केबल शीव स्थिति के आधार पर गति निर्धारित करते हैं:

• एक उड़ान शेव प्रणाली में एक रैखिक गति डिवाइस जैसे हाइड्रोलिक सिलेंडर पर घुड़सवार शेव होता है। केबल को इस शेव के चारों ओर 180 डिग्री लपेटा गया है, और सिलेंडर जहाज की गति को भरने के लिए केबल लंबाई को प्रभावी रूप से बदलकर, अंदर और बाहर चला जाता है।
• एक नोडिंग बूम सिस्टम में एक शेव है, जिस पर केबल गुजरता है, जो बूम के अंत में घुड़सवार होता है जो पोत गति की क्षतिपूर्ति के लिए ऊपर और नीचे चला जाता है।
• एक विनच ड्राइव सिस्टम गति की जानकारी लेता है और फिर गणना की गई हेव और वृद्धि गति की क्षतिपूर्ति के लिए केबल में भुगतान करता है या रील करता है।

तम्बू एलएआरएस समग्र अंतरिक्ष दक्षता के कारण एक विनच ड्राइव सिस्टम और बड़ी केबल लंबाई के कारण असीमित परिमाण प्रतिक्रिया का उपयोग करता है।

तेंदुए नियंत्रण प्रणाली
ALARS के भीतर तेंदुए नियंत्रण प्रणाली मस्तिष्क और तंत्रिका तंत्र दोनों, उत्तेजना को संवेदना, प्रतिक्रिया प्रसंस्करण और स्वचालित रूप से क्रियाएं उत्पन्न करना है। इसमें दो घटक होते हैं जो टंडेम में काम करते हैं; निम्न स्तर (अवचेतन) नियंत्रण प्रणाली, और उच्च स्तरीय (जागरूक) ऑपरेटर नियंत्रण प्रणाली। निम्न स्तर की नियंत्रण प्रणाली प्रकृति में और मनुष्यों में स्थित सशर्त प्रतिबिंबों के समान है, सेंसर उत्तेजना की निगरानी और लगभग तुरंत जागरूक विचार के बिना प्रतिक्रिया। निम्न-स्तरीय नियंत्रण प्रणाली की चार प्रमुख विशेषताएं इसके सक्रिय मोशन मुआवजे, सक्रिय इलाके के बाद, लगातार तनाव और ऑटो रेंडर हैं। सक्रिय मोशन मुआवजा (एएमसी) मॉड्यूल मुख्य विशेषता है जो क्रैकन तेंदुए विनच को अलग करती है। मालिकाना गति ट्रैकिंग और गति भविष्यवाणी एल्गोरिदम की एक श्रृंखला का उपयोग करके, एएमसी प्रणाली मेजबान पोत की गति (गति, अभिविन्यास, स्थिति) और कैटफ़िश की गति (गति, अभिविन्यास, स्थिति) को लगातार ट्रैक कर रही है, और आवश्यक गति की गणना कर रही है और पोत की गति को भरने के लिए इसे टॉर्क को विंच और टॉव केबल पर लागू होना चाहिए। एएमसी मॉड्यूल मानव बातचीत या जागरूक विचार के बिना स्वायत्तता से संचालित होता है, और कैटफ़िश से मेजबान पोत गति को प्रभावी ढंग से decouples, कैटफ़िश प्रणाली के परिचालन लिफाफा में भारी वृद्धि।

सक्रिय टेरेन निम्नलिखित (एटीएफ) मॉड्यूल कैटफ़िश को Winch कमांड करने की अनुमति देता है। इस मामले में, कैटफ़िश का पता लगाता है कि समुद्रतट बढ़ रहा है या गिर रहा है और एटीएफ मॉड्यूल को स्वचालित रूप से समायोजित करने के लिए केबल स्कोप को समायोजित करने के लिए एक आदेश जारी करता है ताकि कैटफ़िश सक्रिय रूप से इलाके का पालन कर सके। केबल पेआउट या रीयल-इन की गति की निगरानी और समायोजन किया जाता है, और आपातकालीन परिस्थितियों जैसे कि नीचे से बचने के मामले में, केबल को बड़ी गति से फिर से जोड़ा जा सकता है।

कॉन्स्टेंट तनाव (सीटी) मॉड्यूल, जैसा कि इसके नाम से पता चलता है, टॉव केबल पर लगातार निर्दिष्ट तनाव बनाए रखने का इरादा है। यह मोटर में टोक़ सेंसर से फीडबैक के आधार पर गणना की जाती है और लहरों या छोटे सर्ज के कारण टॉव केबल पर अचानक तनाव आवेगों को खत्म करने में बहुत प्रभावी होती है। यह मॉड्यूल भी अतिरिक्त कैप्चर तंत्र के बिना लॉन्च और रिकवरी के दौरान डॉकिंग हेड में कैटफ़िश को पकड़ने की अनुमति देता है।

ऑटो रेंडर (एआर) मॉड्यूल एक असफल-सुरक्षित सुविधा प्रदान करता है जो सिस्टम को स्वचालित रूप से केबल का भुगतान करने की अनुमति देता है यदि टॉव लोड प्री-सेट थ्रेसहोल्ड से अधिक हो। सबसे बुरे मामले में टॉव बॉडी समुद्री डाकू को प्रभावित करती है, या अन्य समुद्री गियर पर खुद को उलझती है, यह केबल पेआउट टॉव बॉडी को "मुक्त" करने में मदद कर सकती है और केबल ब्रेकेज के किसी भी जोखिम को खत्म करते समय टॉव बॉडी को नुकसान का खतरा कम कर सकती है।

उच्च स्तरीय नियंत्रण प्रणाली मानव ऑपरेटर के सचेत कार्यों के समान होती है, और पूरी तरह से मैनुअल, रिमोट या स्वायत्त होने के लिए लॉन्च, तैनाती और वसूली के नियंत्रण की अनुमति देती है। हमने नियंत्रण प्रणाली को ईथरनेट और वाई-फाई संचार का उपयोग करके लचीला होने के लिए डिज़ाइन किया है ताकि पूरे सिस्टम को अन्य शिपबोर्ड सिस्टम के साथ आसानी से एकीकृत किया जा सके। उच्च स्तरीय नियंत्रण प्रणाली एक ऑपरेटर कंट्रोल पैनल, इलेक्ट्रिकल कंट्रोल पैनल, विनच और एक्ट्यूएटर मोटर, और गति की सीमा को सीमित करने के लिए विभिन्न प्रकार के सीमा स्विच और सेंसर से बना है और कैटफ़िश के सही लॉन्च और वसूली का पता लगाती है। ऑपरेटर पैनल में टच स्क्रीन, मैन्युअल नियंत्रण और संकेतक होते हैं। टच स्क्रीन (जिसे वास्तविक दुनिया की मौसम स्थितियों में दस्ताने के साथ उपयोग किया जा सकता है), ऑपरेटर को वर्तमान और ऐतिहासिक ऑपरेटिंग डेटा, ऑपरेटिंग पैरामीटर और अलर्ट और चेतावनियों की कॉन्फ़िगरेशन प्रदान करता है। स्वायत्त नियंत्रकों की स्थिति की लगातार निगरानी की जाती है, और रीयल-टाइम जानकारी ईथरनेट और वाई-फाई इंटरफेस पर प्रसारित होती है। ऑपरेटर ऑपरेटिंग स्थिति की वायरलेस निगरानी कर सकते हैं और केबल डेटा, स्कोप और गति और महत्वपूर्ण तापमान जैसे केबल तापमान और केबल लोड जैसे महत्वपूर्ण डेटा देख सकते हैं।

सुरक्षा विशेषताएं
किसी भी समुद्री परिचालन में सुरक्षा प्राथमिकता नंबर एक है, और क्रैकन ने इसे तेंदुए के डिजाइन के भीतर दिल में ले लिया है। यद्यपि कई जीव जीवित रह सकते हैं और कटे अंगों को फिर से चला सकते हैं, मनुष्य उनमें से एक नहीं हैं। तेंदुए विनच में विभिन्न स्वायत्त नियंत्रकों और बुद्धिमान मॉड्यूल शामिल हैं, जिनमें से सभी मानव ऑपरेटर और अन्य सभी डेक कर्मियों की सुरक्षा को प्राथमिकता देते हैं।

हमने सुनिश्चित किया है कि सुरक्षा सुविधाएं स्पष्ट और उपयोग करने में आसान थीं। प्रत्येक नियंत्रण कक्ष में एक आपातकालीन रोक (ई-स्टॉप) स्विच होता है; ऑपरेटर पैनल में एक अतिरिक्त ई-स्टॉप है जिसे उड़ने वाली लीड पर जोड़ा जा सकता है। जब ई-स्टॉप दबाया जाता है, तो सिस्टम मोटर ऑपरेशन को तुरंत रोकता है और मोटर्स को बिजली को डिस्कनेक्ट करता है। ऑपरेटर पैनल पर कई प्रकार की चेतावनियां उपयोगकर्ता को प्री-सेट ऑपरेटिंग थ्रेसहोल्ड से अधिक पैरामीटर के लिए भी चेतावनी देती हैं। श्रव्य चेतावनी के साथ एक जंगम प्रकाश ढेर ऑपरेटिंग स्थिति का एक दृश्य और श्रव्य संकेत प्रदान करता है।

यद्यपि न्यूरॉन्स प्रकृति में निकासी प्रतिबिंबों में उपयोग किए जाने वाले न्यूरॉन्स जितना तेज़ नहीं होते हैं, तेंदुए नियंत्रण प्रणाली में रीयल-टाइम प्रोसेसर और फ़ील्ड-प्रोग्राममेबल गेट सरणी (एफपीजीए) शामिल होती है जो हार्डवेयर में सीधे संसाधित लगभग तत्काल और निर्धारिक सुरक्षा प्रतिक्रियाओं के लिए होती है। यह सुनिश्चित करता है कि तम्बू की परिचालन स्थिति के बावजूद सभी सुरक्षा सुविधाओं और विफल-सुरक्षित प्रतिक्रिया तत्काल प्रतिक्रिया दें

भविष्य के विकास
हमारा मानना ​​है कि तेंदुए स्वायत्त लॉन्च और रिकवरी सिस्टम और इंटेलिजेंट विनच प्रौद्योगिकी आगे के विकास के लिए एक उत्कृष्ट मंच है। यह प्रमुख सक्षम प्रौद्योगिकियों का एक बहुमुखी संयोजन है, और उनमें से प्रत्येक तकनीक मूलभूत रूप से बड़े (या छोटे) अनुप्रयोगों के लिए स्केलेबल है।

एक विशिष्ट मानव की स्मृति की नकल करने के प्रयास में, तेंदुए विनच की ऑनबोर्ड मेमोरी सिस्टम के भीतर सभी गति डेटा रिकॉर्ड करती है और किसी भी महत्वपूर्ण गति घटनाओं (तापमान, अतिरिक्त टोक़, अतिरिक्त तनाव, आदि) पर इस डेटा का उपयोग किया जा सकता है स्वचालित रूप से मशीन सीखने की तकनीक के माध्यम से नियंत्रण प्रणाली मॉड्यूल को ट्यून करें, प्रतिक्रिया समय और समग्र प्रदर्शन में सुधार, कंडीशनिंग को तेंदुए के प्रतिबिंबों को आगे बढ़ाएं।

विचाराधीन एक उदाहरण भविष्य के आवेदन आपूर्ति जहाजों और अन्य जहाजों है जो सापेक्ष गति मुद्दों का अनुभव करते हैं। यदि फ्लोटिंग लक्ष्य प्लेटफ़ॉर्म से गति डेटा द्वारा मोशन मुआवजे प्रणाली को बढ़ाया गया तो इन जहाजों को बहुत फायदा होगा। सिस्टम मेजबान वाहन और लक्ष्य मंच के बीच सापेक्ष गति निर्धारित कर सकता है और केबल लंबाई समायोजित कर सकता है ताकि लक्ष्य केबल अंत और प्लेटफॉर्म के बीच कोई सापेक्ष गति न दिखाई दे। चूंकि अधिक परिष्कृत गति नियंत्रण प्रौद्योगिकियां उपलब्ध हो जाती हैं, इसलिए उन्हें आसानी से तेंदुए प्रणाली में शामिल किया जा सकता है। प्रकृति में अपने नाम की तरह, प्रणाली मजबूत और लचीला है।

चौड़ाई: 1,330 मिमी
गहराई: 1,380 मिमी
ऊंचाई: 1,550 मिमी
वजन: 12 केएन
केबल ओडी: 8-12 मिमी
केबल क्षमता: 2,000 मीटर
खींचो: 15 केएन
पावर: 440 3 ओ

लेखक
डेविड शीया इंजीनियरिंग के उपाध्यक्ष, क्रैकन रोबोट सिस्टम्स इंक हैं।

( समुद्री प्रौद्योगिकी रिपोर्टर के जून 2018 संस्करण में प्रकाशित)