SPIRULA (SPiraling Intelligent Robotic Underwater monitoring pLAtform)

Robuste Systeme zur langfristigen Überwachung des Meeresbodens sind von großer Bedeutung für eine Vielzahl von marinen Forschungs-Anwnedungen. Die Fähigkeit ein Gebiet von Interesse über längere Zeiträume (Wochen oder Monate) zu überwachen ermöglicht es hochwertige Daten von mittel- und langfristigen Umweltveränderungen und deren Auswirkungen auf die lokale Flora und Fauna zu sammeln. Weitere Anwendungen solcher Systeme sind beispielsweise die Überwachung von Gasaustritten, sowie die Überwachung dynamischer Prozesse am Meeresboden über längere Zeiträume. Die Entwicklung und der Einsatz von Systemen mit hochpräzisen Meeresbodenkartierungsfunktionen mit reduziertem Fußabdruck bezüglich Größe und Kosten hat zusätzlich das Potential die Zugänglichkeit zu und die Verfügbarkeit von relevanten Daten über den Meeresboden zu verbessern

Mit SPIRULA entwickeln wir ein solches robustes Langzeitüberwachungssystem mit reduziertem monetären und logistischem Fußabdruck. Ein Schlüsselaspekt besteht in der Entwicklung und Nutzung eines hybriden Systems bestehend aus einem statischen Lander (ca. 2 m x 2m x 1.5m) und einem kabelgebundenen kleinen mobilen autonomen Unterwasserfahrzeugs (ca. 1m x 0.4 m x 0.6 m mit 37 kg Trockengewicht). Dieser hybride Ansatz ermöglicht die gemeinsame Nutzung der signifikanten zeitlichen Überwachungskapazität von statischen Landern und der erhöhten räumlichen Überwachungskapazität von mobilen Unterwasserfahrzeugen. Die mechanische und elektrische Anbindung des Fahrzeugs an den Lander erhöht weiterhin die Sicherheit bezüglich eines Verlustes des Systems und ermöglicht Energie und Datentransfer sowie gemeinsame Datenverarbeitung.

Das Kommunikations und Halte-Kabel (Tether) wird auf eine passive Trommel aufgewickelt, sodass das Fahrzeug während seiner Bewegung, unter Annahme eines gestrafften Tethers, auf eine Evolventenbahn gezwungen wird (wie in der Abbildung rechts dargestellt). Dies hat mehrere Vorteile:

1. Der abgefahrene Pfad kann analytisch berechnet und als kostengünstige (bezüglich Rechenkapazität und nötiger Sensortechnik) Navigationslösung verwendet werden.
2. Die Anbindung an den statischen Lander verringert das Risiko eines Komplettverlustes des Systems
3. Spiralförmige Pfade wurden als sehr effiziente (weniger Pfadlänge bei gleicher Abdeckung) Lösung für Observationen und Probennahmen identifiziert.

Das SPIRULA Fahrzeug ist mit einem Single Board Computer (Nvidia Jetson Orin Nano oder ähnlichem) ausgestattet, welche ein intern entwickeltes ROS2 basiertes Softwareframework für Planung, Steuerung und Navigations ausführt und mit einem eigens etwntickeltem SMT32 basierendem Microcontroller Board via MicroROS kumminiziert. Das SMT32 board ist hierbei für die Kommunikation mit den Aktuatoren (6 Thruster) und den Lichtern zuständig. In seiner Basis Konfiguration ist in dem SPIRULA Fahrzeug jeweils eine nach vorn und nach unten gerichtete Kamera sowie eine CTD, ein Fächersonar und ein DVL integriert. Allgemein ist das Fahrzeug als modular Trägerplatform für relevante Umweltsensorik ausgelegt um flexibel verschiedene Monitoring Szenarien abdecken zu können.

Der Lander hingegen dient als Mehrzweckplatform und fungiert unter anderem als Sensor-Hub, Rechenzentrum, Fahrzeuggarage und Steuerzentrum für die Monitoring Missionen.