אוטונומית מתחת למים
באוניברסיטת באר שבע, במעבדה לרובוטיקה אוטונומית של פרופסור הוגו גוטרמן, פיתחו צוללת אוטונומית ראשונה מסוגה שיודעת לנוע מתחת למים כמו מסוק וגם לנווט לבד. על הפיתוח אחראים גיא קגן ובוריס ברגיסקי, שיחד עם צוות של עוד 20 סטודנטים הצליחו לפצח את אחד האתגרים המורכבים של הרובוטיקה הימית - באמצע המדבר
עמי רוחקס דומבה
| 19/05/2011
אחד מחברי צוות הפיתוח עם הצוללת האוטונמית
באוניברסיטת באר שבע שבנגב פיתחו צוללת תת ימית אוטונומית ראשונה מסוגה בעולם. העובדה שהמרחק בין באר שבע לחוף הים הכי קרוב הוא כ-60 קילומטרים ברכב, לא הפריעה למהנדסים הצעירים בפקולטה להנדסת חשמל ומכונות לבנות את שלא הצליחו אוניברסיטאות גדולות ומכובדות בחו"ל ובארץ אשר להן נוף לים. והכל התחיל, איך לא, ברעיון ספונטני והרבה תעוזה.
"בחודש אפריל שנה שעברה עלה הרעיון לבצע את הפרויקט עבור תחרות שעורך ארגון AVUSI בארה"ב", אומר גיא קגן, סטודנט לתואר ראשון בהנדסת מכונות באוניברסיטת באר שבע שיחד עם בוריס ברגיסקי הובילו את צוות הפיתוח של הצוללת. "אחד התחומים של התחרות היא כלי שיט אוטונומיים מתחת למים. החלטנו לקחת את האתגר, על אף העובדה שמעטים בארץ ובעולם ניסו לעשות צוללות אוטונומית לפני כן".
הצוללת פותחה במעבדה לרובוטיקה אוטונומית של פרופסור הוגו גוטרמן באוניברסיטת באר שבע, כאשר אחת מפריצות הדרך הטכנולוגיות שנעשו היא שילוב של ששה מנועים המספקים לצוללת יכולת תנועה כמו של מסוק מתחת למים. "בעוד בצוללת רגילה יש מנועים מאחורה ורדיוס הסיבוב שלה הוא כמו של אוטובוס, הצוללת שלנו יכולה לנוע בחמישה צירים הודות לריבוי המנועים", מסביר קגן. "מדובר על צוללת ששוקלת 40 קילוגרמים, הקוטר שלה 30 ס"מ ואורכה מטר וחצי, והיא יכולה למשל לזוז לצדדים בלי צורך בסיבוב. תאורטית אפשר להעתיק את המנגנון הזה גם לצוללות גדולות יותר".
כיום צוללות מהסוג הזה קשורות לכבל והשליטה בהן היא ידנית, כאשר זה דורש הרבה לוגיסטיקה מצד המפעיל, כולל סירה שעוקבת אחרי הצוללת, עובדה המייקרת מאד את עלויות התפעול. קושי נוסף בתפעול צוללות מסוג זה קשור לכך שעדיין לא מצאו דרך להעביר תקשורת מתחת למים למרחקים ארוכים בגלל צורת התפשטות גלי הקול בתווך הימי.
"בצוללת שלנו אתה נותן לה משימה, שם אותה במים והיא עובדת לבד. הוספנו לה גם זרוע רובוטית על מנת להרחיב את מגוון הפעולות שניתן לבצע אתה. בעתיד למשל אפשר יהיה להשתמש בזרוע כזו למשימות ריתוך תת ימי של צינורות נפט או משימות אחרות", אומר קגן.
[צוות הפיתוח של הצוללת באוניברסיטת באר שבע]
ניווט אוטומטי
אתגר עתיק יומין בפיתוח צוללות אוטונומיות היה האלגוריתם של הניווט האוטומטי. בשונה מהאוויר, היבשה ופני הים, מתחת למים בגלל העדר ראייה למרחק ומגבלת התפשטות גלי הקול, יש לצוללת בעיית התמצאות במרחב. את הבעיה הזו פתר בוריס ברגיסקי, השותף של קגן לפרויקט, במסגרת התואר השני שלו בלימודי הנדסת חשמל. ברגיסקי פיתח אלגוריתם מיוחד לניווט אוטונומי וכיום הוא ממשיך לפתח אותו במסגרת הלימודים לדוקטורט.
"אלגוריתם הניווט נעזר בזוג מצלמות תת ימיות המספקות לצוללת ראייה סטריאו-סקופית המאפשרת לה למדוד מרחק מתחת למים. במילים אחרות, ניתן לומר כי לצוללת יש ראייה תלת ממדית מתחת למים, תכונה המאפשרת לה לנווט לבד", מסביר קגן.
"לפני שבועיים נערך הניסוי ראשון של הצוללת במים מתוקים ונבדקו המנועים ויכולת הניווט האוטונומית. מבחינת הגוף, הצוללת יכולה להגיע לעומק של 700 מטרים מתחת למים. ההגבלות נובעות מהאלקטרוניקה החיצונית, בעיקר מהמצלמות והסנסורים האחרים. עבור התחרות ובגלל שיקולי עלות, התקנו רכיבים המתאימים עד 10 מטרים עומק".
אנרגיה
למרות שהצוות של קגן וברגיסקי פתר את בעיית הניווט והתנועה מתחת למים, הוא עדיין נשאר עם בעיית האנרגיה. "נכון להיום הסוללות המותקנות בצוללת מספיקות לשעתיים של עבודה. אם רוצים שהיא תעבוד שמונה שעות או יותר ברציפות, צריך להתקין סוללות גדולות וכבדות יותר. זה אפשרי, אבל לא נדרש לתחרות. עקב אכילס בפיתוח צוללת אוטונומית שתפעל לפרקי זמן ארוכים הוא האנרגיה. היחס משקל/אנרגיה של הסוללות הקיימות לא מספק", אומר קגן.
אחד הפתרונות לבעיה זו הוא תחנת עגינה/טעינה תת ימית. תחנה כזו תאפשר לצוללת להטעין/להחליף את הסוללות ולפרוק את הוידאו והתמונות שהיא צילמה. קגן מתאר זאת כרשת של תחנות עגינה תת ימיות הדומה לארכיטקטורה שפיתחו בחברת 'בטר פלייס' למכוניות החשמליות. "נכון להיום תחנות כאלו נמצאות בשלבים שונים של פיתוח במקומות מסויימים בעולם, בעיקר אקדמיות, ואין מוצר מסחרי שאפשר לרכוש", אומר קגן. "קיימת גם אפשרות תיאורטית לעבוד עם תאי דלק מאלומיניום שעובדים עם מים. עדיין לא ניסינו זאת".
למרות הקשיים ומגבלות התקציב, אין ספק שהצליחו לפתח בבאר שבע צוללת פורצת דרך ברמה עולמית. הן מבחינה טכנולוגית והן מבחינת עלות וזמן פיתוח. "שערכנו את הפרויקט עד כה ב-150,000 אלף דולרים והפיתוח ארך כשנה.במקומות אחרים מעריכים פרויקט כזה ב-3-5 שנים עד לתחילת ניסויים. אצלנו בב"ש עובדים עליו 20 סטודנטים בשלושה צוותים, והמימון מגיע מהמעבדה של הוגו ומארבע חברות שנותנות חסות לפרויקט - חברת קומפרטס, קונטרופ, מפעל רמת"א של תעשייה אווירית, וחברת זבולון מערכות ים בע"מ. למרות העזרה המדהימה שקיבלנו, אנחנו כרגע מחפשים עזרה נוספת עם כרטיסי טיסה לתחרות בארה"ב ביולי", אומר קגן.
"הפרויקט מושך הרבה התעניינות מגופים בארץ הקשורים לחקר הימים, מחיל הים וגם מגורמים מחו"ל המגיעים למעבדה לראות את הצוללת. אחד הרעיונות העתידיים שאנו משתעשעים בהם, הוא לפתח רובוט היברידי שידע לעבוד אוטונומית בים וביבשה".
גיא קגן הוא סטודנט לתואר ראשון בהנדסת מכונות בב"ש. בוריס ברגיסקי, הוא דוקטורנט בהנדסת חשמל בב"ש. ליצירת קשר עם גיא קגן בנוגע לעזרה פיננסית או בכל שאלה הקשורה לפרויקט אפשר לשלוח דואר אלקטרוני לכתובת [email protected].
באוניברסיטת באר שבע שבנגב פיתחו צוללת תת ימית אוטונומית ראשונה מסוגה בעולם. העובדה שהמרחק בין באר שבע לחוף הים הכי קרוב הוא כ-60 קילומטרים ברכב, לא הפריעה למהנדסים הצעירים בפקולטה להנדסת חשמל ומכונות לבנות את שלא הצליחו אוניברסיטאות גדולות ומכובדות בחו"ל ובארץ אשר להן נוף לים. והכל התחיל, איך לא, ברעיון ספונטני והרבה תעוזה.
"בחודש אפריל שנה שעברה עלה הרעיון לבצע את הפרויקט עבור תחרות שעורך ארגון AVUSI בארה"ב", אומר גיא קגן, סטודנט לתואר ראשון בהנדסת מכונות באוניברסיטת באר שבע שיחד עם בוריס ברגיסקי הובילו את צוות הפיתוח של הצוללת. "אחד התחומים של התחרות היא כלי שיט אוטונומיים מתחת למים. החלטנו לקחת את האתגר, על אף העובדה שמעטים בארץ ובעולם ניסו לעשות צוללות אוטונומית לפני כן".
הצוללת פותחה במעבדה לרובוטיקה אוטונומית של פרופסור הוגו גוטרמן באוניברסיטת באר שבע, כאשר אחת מפריצות הדרך הטכנולוגיות שנעשו היא שילוב של ששה מנועים המספקים לצוללת יכולת תנועה כמו של מסוק מתחת למים. "בעוד בצוללת רגילה יש מנועים מאחורה ורדיוס הסיבוב שלה הוא כמו של אוטובוס, הצוללת שלנו יכולה לנוע בחמישה צירים הודות לריבוי המנועים", מסביר קגן. "מדובר על צוללת ששוקלת 40 קילוגרמים, הקוטר שלה 30 ס"מ ואורכה מטר וחצי, והיא יכולה למשל לזוז לצדדים בלי צורך בסיבוב. תאורטית אפשר להעתיק את המנגנון הזה גם לצוללות גדולות יותר".
כיום צוללות מהסוג הזה קשורות לכבל והשליטה בהן היא ידנית, כאשר זה דורש הרבה לוגיסטיקה מצד המפעיל, כולל סירה שעוקבת אחרי הצוללת, עובדה המייקרת מאד את עלויות התפעול. קושי נוסף בתפעול צוללות מסוג זה קשור לכך שעדיין לא מצאו דרך להעביר תקשורת מתחת למים למרחקים ארוכים בגלל צורת התפשטות גלי הקול בתווך הימי.
"בצוללת שלנו אתה נותן לה משימה, שם אותה במים והיא עובדת לבד. הוספנו לה גם זרוע רובוטית על מנת להרחיב את מגוון הפעולות שניתן לבצע אתה. בעתיד למשל אפשר יהיה להשתמש בזרוע כזו למשימות ריתוך תת ימי של צינורות נפט או משימות אחרות", אומר קגן.
[צוות הפיתוח של הצוללת באוניברסיטת באר שבע]
ניווט אוטומטי
אתגר עתיק יומין בפיתוח צוללות אוטונומיות היה האלגוריתם של הניווט האוטומטי. בשונה מהאוויר, היבשה ופני הים, מתחת למים בגלל העדר ראייה למרחק ומגבלת התפשטות גלי הקול, יש לצוללת בעיית התמצאות במרחב. את הבעיה הזו פתר בוריס ברגיסקי, השותף של קגן לפרויקט, במסגרת התואר השני שלו בלימודי הנדסת חשמל. ברגיסקי פיתח אלגוריתם מיוחד לניווט אוטונומי וכיום הוא ממשיך לפתח אותו במסגרת הלימודים לדוקטורט.
"אלגוריתם הניווט נעזר בזוג מצלמות תת ימיות המספקות לצוללת ראייה סטריאו-סקופית המאפשרת לה למדוד מרחק מתחת למים. במילים אחרות, ניתן לומר כי לצוללת יש ראייה תלת ממדית מתחת למים, תכונה המאפשרת לה לנווט לבד", מסביר קגן.
"לפני שבועיים נערך הניסוי ראשון של הצוללת במים מתוקים ונבדקו המנועים ויכולת הניווט האוטונומית. מבחינת הגוף, הצוללת יכולה להגיע לעומק של 700 מטרים מתחת למים. ההגבלות נובעות מהאלקטרוניקה החיצונית, בעיקר מהמצלמות והסנסורים האחרים. עבור התחרות ובגלל שיקולי עלות, התקנו רכיבים המתאימים עד 10 מטרים עומק".
אנרגיה
למרות שהצוות של קגן וברגיסקי פתר את בעיית הניווט והתנועה מתחת למים, הוא עדיין נשאר עם בעיית האנרגיה. "נכון להיום הסוללות המותקנות בצוללת מספיקות לשעתיים של עבודה. אם רוצים שהיא תעבוד שמונה שעות או יותר ברציפות, צריך להתקין סוללות גדולות וכבדות יותר. זה אפשרי, אבל לא נדרש לתחרות. עקב אכילס בפיתוח צוללת אוטונומית שתפעל לפרקי זמן ארוכים הוא האנרגיה. היחס משקל/אנרגיה של הסוללות הקיימות לא מספק", אומר קגן.
אחד הפתרונות לבעיה זו הוא תחנת עגינה/טעינה תת ימית. תחנה כזו תאפשר לצוללת להטעין/להחליף את הסוללות ולפרוק את הוידאו והתמונות שהיא צילמה. קגן מתאר זאת כרשת של תחנות עגינה תת ימיות הדומה לארכיטקטורה שפיתחו בחברת 'בטר פלייס' למכוניות החשמליות. "נכון להיום תחנות כאלו נמצאות בשלבים שונים של פיתוח במקומות מסויימים בעולם, בעיקר אקדמיות, ואין מוצר מסחרי שאפשר לרכוש", אומר קגן. "קיימת גם אפשרות תיאורטית לעבוד עם תאי דלק מאלומיניום שעובדים עם מים. עדיין לא ניסינו זאת".
למרות הקשיים ומגבלות התקציב, אין ספק שהצליחו לפתח בבאר שבע צוללת פורצת דרך ברמה עולמית. הן מבחינה טכנולוגית והן מבחינת עלות וזמן פיתוח. "שערכנו את הפרויקט עד כה ב-150,000 אלף דולרים והפיתוח ארך כשנה.במקומות אחרים מעריכים פרויקט כזה ב-3-5 שנים עד לתחילת ניסויים. אצלנו בב"ש עובדים עליו 20 סטודנטים בשלושה צוותים, והמימון מגיע מהמעבדה של הוגו ומארבע חברות שנותנות חסות לפרויקט - חברת קומפרטס, קונטרופ, מפעל רמת"א של תעשייה אווירית, וחברת זבולון מערכות ים בע"מ. למרות העזרה המדהימה שקיבלנו, אנחנו כרגע מחפשים עזרה נוספת עם כרטיסי טיסה לתחרות בארה"ב ביולי", אומר קגן.
"הפרויקט מושך הרבה התעניינות מגופים בארץ הקשורים לחקר הימים, מחיל הים וגם מגורמים מחו"ל המגיעים למעבדה לראות את הצוללת. אחד הרעיונות העתידיים שאנו משתעשעים בהם, הוא לפתח רובוט היברידי שידע לעבוד אוטונומית בים וביבשה".
גיא קגן הוא סטודנט לתואר ראשון בהנדסת מכונות בב"ש. בוריס ברגיסקי, הוא דוקטורנט בהנדסת חשמל בב"ש. ליצירת קשר עם גיא קגן בנוגע לעזרה פיננסית או בכל שאלה הקשורה לפרויקט אפשר לשלוח דואר אלקטרוני לכתובת [email protected].
