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Entwicklung eines MEMS-basierten integrierten Navigationssystems für den Einsatz in einem druckneutralen, tiefseetauglichen AUV
Gelze, Johannes
Das Meer und insbesondere die Tiefsee nehmen für den Wohlstand und die wirtschaftliche Entwicklung der Menschheit stetig an Bedeutung zu. Das Meer liefert nicht nur Fische und Meeresfrüchte, sondern auch Rohstoffe wie Öl-, Gas-, und seltene Metalle. Weiterhin werden für die Energieerzeugung durch Offshore-Windkraftanlagen große Flächen im Meer genutzt.
Die zahlreichen technischen Einrichtungen und Anlagen, welche im Meere installiert sind, müssen gewartet und inspiziert werden, um eine sichere Funktionsweise im korrosiven Meerwasser zu garantieren. In naher Zukunft bieten aller Wahrscheinlichkeit nach autonome Un-terwasserfahrzeuge die Möglichkeit, diese Aufgaben kosteneffizient zu übernehmen.
Sind die Unterwasserstrukturen mit einem akustischen Positionierungssystem ausgestattet, lässt sich für die Unterwassernavigation der Fahrzeuge ein neues und kostengünstiges Navigationskonzept nutzen.
Die vorliegende Dissertation beschreibt die Entwicklung eines integrierten Navigationssystems, das im Zusammenspiel mit einem akustischen Ortungssystem eine genaue und zuverlässige Navigation bis zu einer Tauchtiefe von 6.000 Metern ermöglicht.
Die Grundlage des entwickelten Navigationssystems bildet eine inertiale Messeinheit, die aus drei Beschleunigungssensoren und drei Drehratensensoren besteht, welche an die speziellen Bedingungen eines autonomen Unterwassereinsatzes angepasst sind. Ein druckneutraler Navigationsrechner, der trotz der hohen Druckbelastung in der Tiefsee ohne eine schützende Druckhülle auskommt, berechnet aus den Daten der inertialen Messeinheit, des akustischen Navigationssystems und weiterer Sensoren die Navigationslösung.
Um auch bei einem Ausfall des akustischen Positionierungssystems ein sicheres Auftauchen des Unterwasserfahrzeugs zu garantieren, werden mithilfe eines statistischen Filters weitere Messwerte über das Erdmagnetfeld, den hydrostatischen Druck oder die Geschwindigkeit des Fahrzeugs berücksichtigt. So gelingt auch im Notfall eine ausreichend genaue Positionsbestimmung des Fahrzeugs.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse der Testfahrten, dass ein zuverlässiges und robustes System vorliegt, welches den Navigationsanforderungen eines autonomen Tiefseefahrzeugs gerecht wird. Mit der, für den Aufbau eines Inertialnavigationssystems erstmals benutzten, druckneutralen Bauweise und den speziell ausgelegten Sensoren, gelingt es, ein kostengünstiges, integriertes Navigationssystem aufzubauen. Das System bietet in Verbindung mit einer akustischen Positionsbestimmung eine preiswerte Lösung, die Navigation von autonomen Unterwasserfahrzeugen zu übernehmen und trägt somit zu einer verbesserten Wirtschaftlichkeit von autonomen Unterwasserfahrzeugen bei.
The importance of the sea, and particularly of the deep sea, for the prosperity and economic development of humankind is still increasing. The sea is not only a source of food, but also of raw materials such as oil, gas, and minerals. Furthermore, large areas of the sea are used for energy production, especially by offshore wind turbines.
The numerous technical facilities and constructions that are installed in the sea must be maintained and inspected to guarantee safe operation in the corrosive sea water environment. In the near future, autonomous underwater vehicles may offer a cost-effective opportunity to take on these tasks.
If an acoustic positioning system is integrated in these underwater constructions a new and cost-effective navigation system may be used for navigating autonomous underwater vehicles. This system, consisting of the acoustic positioning system and an inertial navigation system, has many advantages compared to the acoustic system alone.
This thesis describes the development of an integrated navigation system interacting with an acoustic positioning system, thus enabling a more accurate and reliable navigation. The system is designed to operate in a depth of up to 6,000 meters.
The basis of the developed navigation system comprises an inertial measurement unit, which consists of three accelerometers and three angular rate sensors. The inertial measurement unit is adapted to the special conditions of an autonomous underwater vehicle. A pressure-tolerant navigational computer calculates position velocity and attitude from the data of the inertial measurement unit, the acoustic system, and other sensors. Pressure-tolerant means a system specially designed to operate without a protective pressure hull even at the high pressure loads of the deep sea.
To guarantee safe surfacing of the underwater vehicle in the case of failure of the acoustic positioning system, a stochastic filter is used. This filter merges the data of the inertial measurement unit, the magnetic field sensor, the hydrostatic pressure sensor, and the speed infor-mation of the vehicle to calculate the most probable position.
Overall, the results of different test procedures have proven the developed system to be reliable and robust. It meets the navigational requirements of an autonomous underwater vehicle, for the first time combining pressure-tolerant design with sensors which are designed to user specifications. In conjunction with an acoustic positioning system, the developed integrated navigation system poses an inexpensive method for the navigation of autonomous underwater vehicles. Thus, this work contributes to an improved and cost-effective autonomous underwater vehicle.
