Véhicule sous-marin autonome - Autonomous underwater vehicle
Un véhicule sous-marin autonome ( AUV ) est un robot qui se déplace sous l'eau sans nécessiter l'intervention d'un opérateur. Les AUV font partie d'un groupe plus large de systèmes sous-marins connus sous le nom de véhicules sous-marins sans pilote , une classification qui comprend les véhicules sous -marins télécommandés (ROV) non autonomes - contrôlés et alimentés depuis la surface par un opérateur/pilote via un ombilical ou à l'aide d'une télécommande. Dans les applications militaires, un AUV est plus souvent appelé véhicule sous-marin sans pilote ( UUV ). Les planeurs sous-marins sont une sous-classe des AUV.
Histoire
Le premier AUV a été développé au Laboratoire de physique appliquée de l' Université de Washington dès 1957 par Stan Murphy, Bob François et plus tard, Terry Ewart. Le « Special Purpose Underwater Research Vehicle », ou SPURV , a été utilisé pour étudier la diffusion, la transmission acoustique et les sillages sous-marins.
D'autres premiers AUV ont été développés au Massachusetts Institute of Technology dans les années 1970. L'un d'eux est exposé à la Hart Nautical Gallery du MIT. Dans le même temps, les AUV ont également été développés en Union soviétique (bien que cela n'ait été connu que bien plus tard).
Applications
Ce type de véhicules sous-marins est récemment devenu une alternative intéressante pour la recherche et l'exploration sous-marines car ils sont moins chers que les véhicules habités. Au cours des dernières années, il y a eu de nombreuses tentatives pour développer des véhicules sous-marins pour relever le défi des programmes d'exploration et d'extraction dans les océans. Récemment, des chercheurs se sont concentrés sur le développement d'AUV pour la collecte de données à long terme en océanographie et en gestion côtière.
Commercial
L'industrie pétrolière et gazière utilise des AUV pour créer des cartes détaillées du fond marin avant de commencer à construire des infrastructures sous-marines ; les pipelines et les complétions sous-marines peuvent être installés de la manière la plus rentable avec une perturbation minimale de l'environnement. L'AUV permet aux sociétés d'arpentage de réaliser des levés précis de zones où les levés bathymétriques traditionnels seraient moins efficaces ou trop coûteux. De plus, il est désormais possible d'effectuer des relevés de canalisations après pose, ce qui inclut l'inspection des canalisations. L'utilisation d'AUV pour l'inspection des pipelines et l'inspection des structures artificielles sous-marines est de plus en plus courante.
Recherche
Les scientifiques utilisent des AUV pour étudier les lacs, l'océan et le fond océanique. Divers capteurs peuvent être fixés aux AUV pour mesurer la concentration de divers éléments ou composés, l'absorption ou la réflexion de la lumière et la présence d'une vie microscopique. Des exemples comprennent des capteurs de conductivité de la température-profondeur (CTD), fluorimètres , et pH capteurs. De plus, les AUV peuvent être configurés en tant que véhicules de remorquage pour livrer des ensembles de capteurs personnalisés à des emplacements spécifiques.
Le laboratoire de physique appliquée de l'Université de Washington crée des itérations de sa plate- forme Seaglider AUV depuis les années 1950. Bien que iRobot Seaglider ait été conçu à l'origine pour la recherche océanographique, ces dernières années, il a suscité beaucoup d'intérêt de la part d'organisations telles que l'US Navy ou l'industrie pétrolière et gazière. Le fait que ces planeurs autonomes soient relativement peu coûteux à fabriquer et à utiliser est révélateur de la plupart des plates-formes AUV qui connaîtront le succès dans une myriade d'applications.
Un exemple d'AUV interagissant directement avec son environnement est le robot étoile de mer Crown-Of-Thorns ( COTSBot ) créé par l'Université de technologie du Queensland (QUT). Le COTSBot trouve et éradique les étoiles de mer à couronne d'épines ( Acanthaster planci ), une espèce qui endommage la Grande Barrière de Corail . Il utilise un réseau de neurones pour identifier l'étoile de mer et injecte des sels biliaires pour la tuer.
Passe-temps
De nombreux roboticiens construisent des AUV comme passe-temps. Plusieurs compétitions existent qui permettent à ces AUV de fabrication artisanale de s'affronter tout en accomplissant des objectifs. Comme leurs frères commerciaux, ces AUV peuvent être équipés de caméras, de lumières ou de sonar. En raison des ressources limitées et de l'inexpérience, les AUV pour amateurs peuvent rarement rivaliser avec les modèles commerciaux en termes de profondeur opérationnelle, de durabilité ou de sophistication. Enfin, ces AUV de loisir ne sont généralement pas océaniques, étant exploités la plupart du temps dans des piscines ou des lits de lacs. Un simple AUV peut être construit à partir d'un microcontrôleur, d' un boîtier de pression en PVC , d'un actionneur de verrouillage de porte automatique, de seringues et d'un relais DPDT . Certains participants à des concours créent des conceptions qui reposent sur des logiciels open source.
Trafic illégal de drogue
Les sous-marins qui voyagent de manière autonome vers une destination au moyen de la navigation GPS ont été fabriqués par des trafiquants de drogue.
Enquêtes sur les accidents aériens
Des véhicules sous-marins autonomes, par exemple l' AUV ABYSS , ont été utilisés pour retrouver les épaves d'avions disparus, par exemple le vol Air France 447 , et l' AUV Bluefin-21 a été utilisé dans la recherche du vol 370 de Malaysia Airlines .
Applications militaires
Le plan directeur des véhicules sous-marins sans pilote (UUV) de l'US Navy a identifié les missions suivantes de l'UUV :
- Renseignement, surveillance et reconnaissance
- Contre-mesures contre les mines
- La guerre anti-sous-marine
- Contrôle/identification
- Océanographie
- Nœuds de réseau de communication/navigation
- Livraison de la charge utile
- Opérations d'information
- Grèves urgentes
Le plan directeur de la marine a divisé tous les UUV en quatre classes :
- Catégorie de véhicule portatif : déplacement de 25 à 100 lb ; 10 à 20 heures d'endurance; lancé manuellement depuis une petite embarcation (c.-à-d. Mk 18 Mod 1 Swordfish UUV )
- Classe de véhicule léger : jusqu'à 500 lb de cylindrée, 20 à 40 heures d'autonomie ; lancé depuis RHIB à l' aide d'un système lanceur-récupérateur ou par des grues à partir de navires de surface (c.-à-d. Mk 18 Mod 2 Kingfish UUV )
- Classe de véhicule lourd : jusqu'à 3 000 lb de déplacement, 40 à 80 heures d'autonomie, lancé depuis des sous-marins
- Grande classe de véhicule : déplacement jusqu'à 10 tonnes longues ; lancé à partir de navires de surface et de sous-marins
En 2019, la Marine a commandé cinq UUV Orca , sa première acquisition de sous-marins sans pilote avec une capacité de combat.
Conceptions de véhicules
Des centaines d'AUV différents ont été conçus au cours des 50 dernières années, mais seules quelques entreprises vendent des véhicules en nombre significatif. Il existe environ 10 sociétés qui vendent des AUV sur le marché international, dont Kongsberg Maritime , Hydroid (maintenant une filiale à 100 % de Kongsberg Maritime ), Bluefin Robotics , Teledyne Gavia (anciennement Hafmynd), International Submarine Engineering (ISE) Ltd, Atlas Elektronik et OceanScan.
La taille des véhicules varie des AUV légers portables pour hommes aux véhicules de grand diamètre de plus de 10 mètres de long. Les gros véhicules présentent des avantages en termes d'endurance et de capacité de charge utile des capteurs ; les véhicules plus petits bénéficient considérablement d'une moindre logistique (par exemple : empreinte des navires de soutien ; systèmes de lancement et de récupération).
Certains fabricants ont bénéficié du parrainage du gouvernement national, notamment Bluefin et Kongsberg. Le marché est en effet divisé en trois domaines : scientifique (y compris les universités et les agences de recherche), l'offshore commercial (pétrole et gaz, etc.) et les applications militaires (contre-mesures antimines, préparation de l'espace de combat). La majorité de ces rôles utilisent une conception similaire et fonctionnent en mode croisière (type torpille). Ils collectent des données tout en suivant un itinéraire préétabli à des vitesses comprises entre 1 et 4 nœuds.
Les AUV disponibles dans le commerce comprennent divers modèles, tels que le petit AUV REMUS 100 développé à l'origine par la Woods Hole Oceanographic Institution aux États-Unis et maintenant produit commercialement par Hydroid, Inc. (une filiale en propriété exclusive de Kongsberg Maritime ) ; les plus gros AUV HUGIN 1000 et 3000 développés par Kongsberg Maritime and Norwegian Defence Research Establishment ; les véhicules Bluefin Robotics de 12 et 21 pouces de diamètre (300 et 530 mm) et l'International Submarine Engineering Ltd. La plupart des AUV suivent la forme traditionnelle de la torpille car cela est considéré comme le meilleur compromis entre la taille, le volume utilisable, l'efficacité hydrodynamique et facilité de prise en main. Certains véhicules utilisent une conception modulaire, permettant aux opérateurs de changer facilement les composants.
Le marché évolue et les conceptions suivent désormais les exigences commerciales plutôt que d'être purement développementales. Les conceptions à venir incluent des AUV capables de survoler pour l'inspection et l'intervention lumineuse (principalement pour les applications énergétiques offshore), et des conceptions hybrides AUV/ROV qui basculent entre les rôles dans le cadre de leur profil de mission. Encore une fois, le marché sera motivé par les exigences financières et l'objectif d'économiser de l'argent et du temps de navire coûteux.
Aujourd'hui, alors que la plupart des AUV sont capables d'effectuer des missions non supervisées, la plupart des opérateurs restent à portée des systèmes de télémétrie acoustique afin de garder un œil attentif sur leur investissement. Ce n'est pas toujours possible. Par exemple, le Canada a récemment pris livraison de deux AUV (ISE Explorers) pour étudier le fond marin sous la glace de l'Arctique à l'appui de sa revendication en vertu de l'article 76 de la Convention des Nations Unies sur le droit de la mer. De plus, des variantes à très faible puissance et à longue portée, telles que les planeurs sous-marins, deviennent capables de fonctionner sans surveillance pendant des semaines ou des mois dans les zones littorales et océaniques, relayant périodiquement les données par satellite vers le rivage, avant de revenir être récupérées.
À partir de 2008, une nouvelle classe d'AUV est en cours de développement, qui imitent les conceptions trouvées dans la nature. Bien que la plupart en soient actuellement à leurs stades expérimentaux, ces véhicules biomimétiques (ou bioniques ) sont capables d'atteindre des degrés d'efficacité plus élevés en termes de propulsion et de maniabilité en copiant des conceptions réussies dans la nature. Deux de ces véhicules sont l'AquaJelly (AUV) de Festo et l' EvoLogics BOSS Manta Ray.
Capteurs
Les AUV transportent des capteurs pour naviguer de manière autonome et cartographier les caractéristiques de l'océan. Les capteurs typiques comprennent les boussoles , les capteurs de profondeur, les sonars à balayage latéral et autres , les magnétomètres , les thermistances et les sondes de conductivité. Certains AUV sont équipés de capteurs biologiques, notamment des fluorimètres (également appelés capteurs de chlorophylle ), des capteurs de turbidité et des capteurs pour mesurer le pH et les quantités d' oxygène dissous .
Une démonstration à Monterey Bay , en Californie, en septembre 2006, a montré qu'un AUV de 21 pouces (530 mm) de diamètre peut remorquer un réseau d'hydrophones de 400 pieds (120 m) de long tout en maintenant une vitesse de 6 nœuds (11 km/h) vitesse de croisière.
Les ondes radio ne peuvent pas pénétrer très loin dans l'eau, donc dès qu'un AUV plonge, il perd son signal GPS. Par conséquent, un moyen standard pour les AUV de naviguer sous l'eau est la navigation à l'estime . La navigation peut cependant être améliorée en utilisant un système de positionnement acoustique sous-marin . Lorsque l'on opère dans un réseau de transpondeurs de ligne de base déployés au fond de la mer, on parle de navigation LBL . Lorsqu'une référence de surface telle qu'un navire de soutien est disponible, le positionnement à base ultra-courte (USBL) ou à base courte (SBL) est utilisé pour calculer où se trouve le véhicule sous-marin par rapport à la position connue ( GPS ) de l'engin de surface au moyen de mesures de portée acoustique et de relèvement. Pour améliorer l'estimation de sa position et réduire les erreurs à l'estime (qui augmentent avec le temps), l'AUV peut également faire surface et prendre sa propre position GPS. Entre les corrections de position et pour des manœuvres précises, un système de navigation inertielle à bord de l'AUV calcule à l'estime la position, l'accélération et la vitesse de l'AUV. Les estimations peuvent être effectuées à l'aide des données d'une unité de mesure inertielle et peuvent être améliorées en ajoutant un journal de vitesse Doppler (DVL), qui mesure la vitesse de déplacement sur le fond de la mer/du lac. En règle générale, un capteur de pression mesure la position verticale (profondeur du véhicule), bien que la profondeur et l'altitude puissent également être obtenues à partir des mesures DVL. Ces observations sont filtrées pour déterminer une solution de navigation finale.
Propulsion
Il existe plusieurs techniques de propulsion pour les AUV. Certains d'entre eux utilisent un moteur électrique à balais ou sans balais, une boîte de vitesses, un joint à lèvres et une hélice qui peut être entourée ou non d'une buse. Toutes ces pièces intégrées dans la construction de l'AUV sont impliquées dans la propulsion. D'autres véhicules utilisent une unité de propulseur pour maintenir la modularité. Selon le besoin, le propulseur peut être équipé d'une tuyère pour la protection contre les collisions de l'hélice ou pour réduire la soumission au bruit, ou il peut être équipé d'un propulseur à entraînement direct pour maintenir l'efficacité au plus haut niveau et les bruits au niveau le plus bas. Les propulseurs AUV avancés ont un système d'étanchéité d'arbre redondant pour garantir une bonne étanchéité du robot même si l'un des joints tombe en panne pendant la mission.
Les planeurs sous-marins ne se propulsent pas directement. En changeant leur flottabilité et leur assiette, ils coulent et remontent à plusieurs reprises; Les "ailes" du profil aérodynamique convertissent ce mouvement de haut en bas en mouvement vers l'avant. Le changement de flottabilité se fait généralement à l'aide d'une pompe qui peut aspirer ou expulser l'eau. L'inclinaison du véhicule peut être contrôlée en modifiant le centre de gravité du véhicule. Pour les planeurs Slocum, cela se fait à l'intérieur en déplaçant les batteries, qui sont montées sur une vis. En raison de leur faible vitesse et de leur électronique à faible puissance, l'énergie requise pour effectuer des cycles de trim est bien inférieure à celle des AUV ordinaires, et les planeurs peuvent avoir des endurances de plusieurs mois et des portées transocéaniques.
Communication
Étant donné que les ondes radio ne se propagent pas bien sous l'eau, de nombreux AUV intègrent des modems acoustiques pour permettre la commande et le contrôle à distance. Ces modems utilisent généralement des techniques de communication propriétaires et des schémas de modulation. En 2017, l'OTAN a ratifié la norme ANEP-87 JANUS pour les communications sous-marines. Cette norme permet des liaisons de communication 80 BPS avec un formatage de message flexible et extensible .
Puissance
La plupart des AUV utilisés aujourd'hui sont alimentés par des batteries rechargeables ( lithium-ion , lithium-polymère , nickel-hydrure métallique, etc.) et sont mis en œuvre avec une certaine forme de système de gestion de batterie . Certains véhicules utilisent des batteries primaires qui offrent peut-être deux fois plus d'endurance, à un coût supplémentaire substantiel par mission. Quelques-uns des plus gros véhicules sont propulsés par des semi- piles à combustible à base d'aluminium , mais ceux-ci nécessitent un entretien important, nécessitent des recharges coûteuses et produisent des déchets qui doivent être manipulés en toute sécurité. Une tendance émergente consiste à combiner différents systèmes de batteries et d'alimentation avec des supercondensateurs .
Voir également
- Intervention AUV – Type de véhicule sous-marin autonome capable d'interventions autonomes
- Planeur sous-marin – Type de véhicule sous-marin autonome
- Bionics – Application des systèmes naturels à la technologie
- Biomimétique – Imitation de systèmes biologiques pour la résolution de problèmes humains
- Institut de recherche sur l'aquarium de la baie de Monterey
- Bureau de la recherche navale
- Centre national d'océanographie, Southampton
- DeepC – Véhicule sous-marin autonome alimenté par une pile à combustible
- Institut national des sciences et technologies sous-marines
- AUV-150 - Véhicule sous-marin sans pilote en cours de développement par l'Institut central de recherche en génie mécanique
- REMUS (AUV) – Série de véhicules sous-marins autonomes
- MAYA AUV – Véhicule sous-marin autonome de l'Institut national d'océanographie, Inde
- Torpedo – Arme sous-marine automotrice
- Theseus (AUV) – Grand véhicule sous-marin autonome pour la pose de câble à fibre optique
- Eelume - Véhicule sous-marin autonome en cours de développement par Eelume AS
Les références
Bibliographie
- Technologie et applications des véhicules sous-marins autonomes Gwyn Griffiths ISBN 978-0-415-30154-1
- Examen des développements des véhicules sous-marins autonomes (AUV) ISBN 978-1-155-10695-3
- Masterclass en technologie AUV pour la science polaire ISBN 978-0-906940-48-8
- Le fonctionnement des véhicules sous-marins autonomes2 ISBN 978-0-906940-40-2
- 1996 Symposium sur la technologie des véhicules sous-marins autonomes ISBN 978-0-7803-3185-3
- Développement d'un véhicule sous-marin autonome ISBN 978-3-639-09644-6
- Système de contrôle optimal pour un véhicule sous-marin semi-autonome ISBN 978-3-639-24545-5
- Véhicules sous-marins autonomes ISBN 978-1-4398-1831-2
- Code de pratique recommandé pour l'exploitation des véhicules marins autonomes ISBN 978-0-906940-51-8
- Robot mobile autonome ISBN 978-1-158-80510-5
- Véhicule sous-marin télécommandé ISBN 978-613-0-30144-6
- Robots sous-marins ISBN 978-3-540-31752-4
- Le rapport sur le marché mondial des AUV 2010-2019 ISBN 978-1-905183-48-7
- Véhicules sous-marins autonomes : conception et pratique ISBN 978-1-78561-703-4