Alates juunist 2018 arendab Tallinna tehnikaülikooli elektroenergeetika ja mehhatroonika instituudi teadlaste arendusgrupp (Indrek Roasto, Heigo Mõlder, Tanel Jalakas, Taavi Möller) väikest robotlaeva Nymo. Tegu on Eestis esimese taolise projektiga, erinevalt õhus ja maal liikuvatest robotitest ei ole Eestis veel autonoomseid laevu sõitmas nähtud.
Arendusgrupi liige, energeetikadoktor Heigo Mõlder ütleb, et kaugemaks eesmärgiks on ehitada modulaarne robotplatvorm, mis võimaldab erinevaid tegevusi inimese otsese sekkumiseta. Milline saab olema konkreetne rakendus, pole veel lukku pandud.
Prototüübi esimesele vettelaskmisele tänavu suvel Männiku karjääris eelnes paar aastat ettevalmistustööd, mis kulus rahastuse otsimisele ja koostööpartnerite leidmisele – et tagada laboris väljamõeldule tehniline teostus ja praktiline rakendus.
Robotlaeva idee sai alguse hoopis ratastel sõitvast nutiseadmega juhitavast robotplatvormist, mille arendusgrupi liige, Taltechi vanemteadur Tanel Jalakas 2016. aastal välja töötas. Kuna tollal olid sarnased lahendused ka teistel tegijatel juba põhimõtteliselt valmis ja pakirobotite ilmumiseni Tallinna tänavatele jäid loetud kuud, otsustati, et selles valdkonnas konkureerima hakata pole mõtet.
Nii sündis idee tõsta olemasolev tarkvaralahendus vee peale. Kuigi näib, et merel navigeerivat robotit on lihtsam ehitada kui mööda maad sõitvat, siis tegelikult on ka merel kümneid asjaolusid, mida robotlaeva „aju” arendamisel arvesse võtta – nt objektide tuvastus udus, eredas päikeses, veealuste objektide nägemine, merenduse liiklusreeglitega arvestamine jne.
Aastal 2016 osalesid Taltechi arendusgrupi liikmed robotlaeva ideega üritusel nimega TehnoHack. See on kahe päevane hackathon, kus noored leiutajad käivad välja ideed, valdkonna ekspertidest koosnev komisjon hindab neid ning valib välja parimad, mida rahastatakse ja mis tuleb kahe päeva jooksul realiseerida. TehnoHacki tulemusena saadi valmis väike robotpaat, mis suutis sõita etteantud koordinaatide järgi punktist A punkti B.
Edasi pani Heigo Mõlder kirja pikema visiooni isesõitva laeva ja üldse sellise robotplatvormi idee tutvustamiseks, koostas ettekande ning käis sellega esinemas Robotexil, Eesti masinatööstuse liidus ja mujal. Selle tulemusena õnnestus tähelepanu äratada väikelaevade projekteerimisega tegelevas MEC-is.
Tehnikaülikoolis on jõuelektroonika, mehhatroonika ja juhtimissüsteemide alane kompetents, MECis on tugeval järjel laevade mehaanika konstrueerimise valdkond ja nii otsustati jõud ühendada.
Masinatööstuse liidu kaudu tekkis projekti vastu huvi ka lehtmetalli töötlevas ettevõttes Hyrles. Kuna Hyrlese emaettevõte toodab Soomes ka masselektroonikat, otsiti väljundit mingi innovaatilise omatoote väljaarendamiseks.
„Idee meeldis ja ühendasime kolm kompetentsi, et teha valmis robotlaeva platvorm. Mõte oli teha see võimalikult modulaarne, et hiljem oleks võimalik seda platvormi vastavalt otstarbele kergesti ringi kohandada,” kirjeldab Heigo Mõlder. „Siis oli asjal juba konkreetne mõõde ja saime kirjutada toetusetaotluse nutika spetsialiseerumise rakendusuuringu läbiviimiseks Archimedesesse. Vastus oli positiivne ja nüüd oleme 2018. aasta algusest pingutanud, et prototüübi loomise esimesed eesmärgid täide viia ehk siis saavutada laeval see funktsionaalsus, mis alustades sai lukku pandud.”
Ka on robotlaeva arendajatel koostöö Kuressaares tegutseva Tallinna Tehnikaülikooli väikelaevade arendamise kompetentsikeskusega, mille spetsialistid aitasid laeva korpust disainida ja esimesed ujuvustestid teostada.
Esmalt universaalne baaslahendus
Archimedese rakendusuuringu raames luuakse võimalikult paljude funktsioonidega universaalne lahendus, mis sobib mitmeteks tegevusteks. Tõenäoliselt kõiki funktsioone hiljem tarvis ei olegi ning n-ö praktilisse rakendusse sukelduv laev saab olema tehniliselt lihtsam kui prototüüp.
Kõnealune etapp kestab järgmise aasta märtsini. Eesmärgiks on ehitada valmis täiselektriline robotlaev, mis suudab autonoomselt liigelda nii sadamas kui merel, vältida takistusi, täita etteantud missiooni, olla teadlik oma energiakulust ja reservist, oskab õigel ajal tagasi pöörduda ning mida saab vajadusel ka käsitsi raadio teel juhtida.
„Pärast seda tuleb spetsialiseerumine – kas hakkame näiteks saartelt mandrile prügi või pakke või miks mitte ka mõlemat vedama või hakkab laev tegema merepõhja kaardistust või mereseiret, otsima merre sattunud saasteaineid jne,” räägib Mõlder.
Kogu nutikus, mis robotlaeva opereerida aitab, peitub laevale paigaldatavas mustas kohvris ja on välja töötatud Taltechi arendusgrupi poolt. Selle juht on Indrek Roasto, Hyrles OÜ poolt juhib projekti Mart Enok.
Heigo Mõlder ütleb, et kõige keerulisem ongi nutikuse väljatöötamine, mis paljuski seisneb programmeerimises ja erinevate andurite süsteemi liitmises. Loomulikult on vaja tegeleda ka mehaanika ja laeva toitesüsteemiga, aga need tööd on rohkem tehnilist laadi ja teostatavad läbi rohkete katsetuste.
Automaatjuhtimissüsteeme on maailmas loodud varemgi, aga enamik neist on mingi riigi sõjaväe käsutuses ja nende olemust varjutab saladuseloor. Mõnda lahendust saab ka osta, aga nende hind küünib sadade tuhandete eurodeni, mistõttu mõistlikum on välja töötada oma süsteem ja seda juba vastavalt enda vajadustele.
Esimene jõuproov – merereis Kerile
Nagu öeldud, sünnib tõde katsetades. Nii sai septembri alguses ette võetud meresõit Keri saarele 2,5 m pikkusele ja veidi rohkem kui 100 kg kaaluvale robotlaevale esimeseks n-ö tõeliseks mereprooviks. Teekonnal Kerile ja tagasi kogusid Nymo arendusgrupi liikmed andmeid ja tähelepanekuid laeva navigeerimisvõime ja tehnilise vastupidavuse kohta avamere tingimustes. Etteantud teekonnapunktide järgi navigeeris laev sihtkohta ja tagasi eeskujulikult. Küll aga tegi laev juba pärast Keri põhjaküljele märgitud lõpp-punkti jõudmist äkilise pöörde, selle käigus viskas vinditelje puksi laagri seest välja ning see viis rivist välja ühe sõukruvi. Seda tuli saarel parandada, aga midagi katastroofilist see endaga kaasa ei toonud.
„Elektroonika ja tarkvara mõttes läks kõik plaanipäraselt, väikesed viperused olid mehaanikaga, aga ei midagi, mida ei saaks edasi arendada,” võtab Heigo Mõlder sõidu kokku. „Robotlaev sai suurepäraselt hakkama ja meie saime omakorda hulga andmeid, mida edasi analüüsida.”
Näiteks kui robotlaeva tee ristus mitme Pranglile seilava purjekaga, siis hiljem saadi nende marsruudid laevade tuvastamise automaatsest süsteemist AIS (Automatic Identification System) kätte ning tarkvaraarendajad said analüüsida ja erinevaid situatsioone läbi simuleerida, kuidas purjelaevade ja Nymo sõidutrajektoorid oleksid võinud kohtuda.
AIS-süsteemi ja laevade globaalse jälgimisrakendusest Marine Traffic, kuhu kõik enam kui 12 m pikkused laevad peavad oma asukoha sisse logima, saadava info edastamisel Nymo kontrollerile on sel võimalik prognoosida robotlaeva kursil oleva aluste sõidumarsruute ning nende võimalikku ristumiskohta ja -aega Nymo marsruudiga. Selleks tuleb võtta mõne laeva juba läbitud sõidutrajektoorilt kaks punkti, leida nende läbimiseks kulunud aeg, arvutada laeva liikumiskiirus ning nende andmete põhjal sättida enda marsruut nii, et see teise laevaga ei kohtuks.
„Sellise n-ö kõrgema taseme tarkvara arendamine on meil poole peal. Põhimõtteliselt peaks robotlaev automaatselt teiste laevade vajalikud sõidupunktid sisse võtma ja ideaalis juba enne sõidu alustamist valima kursi vastavalt teistelt laevadelt saadud infole,” kirjeldab Mõlder. „Aga kuna prognoosid pole kunagi täiuslikud, peab kontrollsüsteem olema valmis ka sõidu ajal vastavalt olukorrale kurssi muutma.”
Tuleb luua autonoomne robotlaev
Kõrgemal tasandil tahetakse süsteemi laadida merekaardid, millele märgitud nt info sügavuse, suuremate kivide, poide ja rannajoone kohta – et laev saaks marsruudi iseärasusi juba enne sõidu algust arvesse võtta. Näiteks kui robotlaev hakkab kursseerima mandri ja Aegna vahel, on tal juba kogu info, millega sel teel arvestada. Selle marsruudi saab n-ö lukku panna ja nii ei vaja laev enam nt merepõhja sensorit või mõnda teist andurit, mis võimaldab seda kaalult kergemaks, aga ka süsteemi lihtsamaks muuta.
Hüdrodünaamika iseärasustest tulenevalt hakkab laeva energiakulu suurenema integraalselt vastavalt sellele, kuidas suureneb laeva kiirus. Kui robotlaev sõidab nt kiirusega kolm sõlme ja selle energiakulu on suurus X, siis kiiruse suurenedes kuuele sõlmele ei suurene energiakulu mitte kaks, aga hoopis kolm korda. Palju sõltub ka lainetusest ja kui sõita väga kiiresti, hakkab laevakere lainetel põrkama, kokkupuude veega muutub väiksemaks, veetakistus väheneb ja sellega seoses kukub ka energiakulu sõidu pikkuse peale arvutatuna.
Kõiki neid asjaolusid tuleb arvesse võtta ja leida optimaalseim variant laeva koormamise, sõidutrajektoori valiku ja kiiruse vahel. Praeguse aluse tõhusaim kiirus on 3 sõlme ehk 5–6 km/h, maksimaalne 7 sõlme (13 km/h). Kui sellega sõita Aegna saarele, mis paikneb Kalasadamast 14 km kaugusel, kuluks ühe otsa peale 2,5 tundi. Ega pakirobot tänaval ju kiiremini sõida.
Laev tahetakse viia tasemele, kus inimene peaks selle töösse võimalikult vähe sekkuma. Mõttes on näiteks variant, et laev suudaks sleppi võtta sadamas seisva prügikonteineriga pargase just siis, kui see on täitunud
Valida on elektri- ja hübriidmootori vahel
Ükskõik milliseid ülesandeid robotlaev tulevikus täitma hakkab, tuleb II etapis pöörata tähelepanu kandevõime suurendamisele. Eesmärk on, et laev suudaks peale võtta kuni kaks euroaluse täit kaupa. Ilmselt on parim lahendus katamaraan-tüüpi laevakere.
Põhimõtteliselt on võimalik eelnimetatud must kohver tõsta ükskõik millisele väikelaevale, harmoneerida raadioside, lisada tüürimist võimaldav mehaanika jmt ning alus peaks muutuma isejuhtivaks. Muidugi tuleb tarkvaras laeva tonnaž jm parameetrid ümber arvestada, aga see tähendab programmeerija jaoks peamiselt vaid häälestuse muutmist, sensoritest tulev info oleks aga juba läbi testitud ja katsetatud.
Jõuallika valikul on kaks varianti – kas jääda autonoomse akutoite juurde või võtta kasutusele elekter-diiselgeneraatoriga hübriidmootor. Tehnilise ülesehituse seisukorrast pole suuremat vahet, ent elektrimootor võimaldab laeva muuta täisautomaatseks. Kütust peab ikka keegi käima paaki valamas, aku laadimise saab aga nii laeval kui kail asuvate induktiivmähiste abil muuta juhtmevabaks ning seega ka täisautomaatseks.
„Lisaks on elektriliste süsteemide kasutegur kõrgem kui diiselajamite puhul ja eks sellepärast ennustatakse, et jõuallikate tulevik on elektrienergia päralt,” selgitab Mõlder. „Samas on elektri häda selles, et akutehnoloogia areng ei jõua vajadustele järgi ja suure mahtuvusega lahenduste teostamine on suhteliselt kallis. Selles mõttes tuleks diiselmootor mitu korda odavam.”
Paralleelselt kõige muuga peavad teadlased leidma rahastuse ka robotlaeva arendamise projekti II etapile ehk tootearendusele. Praegu töötatakse lähtuvalt eesmärgist, et kui laeva prototüüp on n-ö valmis, võtaks Hyrles enda peale selle masstootmisse juurutamise.
Et oma tegemistest teada anda ja asjaomastes huvi äratada, tehakse Eesti Saarte Kogu kaudu küsitlust püsiasustusega väikesaarte elanike hulgas, et leida kohad, kus oleks pilootprojektina mõtet meritsi pakivedu käima panna. Kui Heigo Mõlder projekti tutvustamas käis, tuli ettekannet kuulama esindajaid 18 saarelt.
„Esialgu oleks hea, kui saaksime pilootprojekti raames testida laeva funktsionaalsust, vastupidavust, mobiilirakendusi, kuidas need töötavad ja ennast õigustavad,” peab Mõlder laevale praktilise töö andmist vajalikuks. „Lõppeesmärk on meil jõuda ikkagi kusagile põhjamaade turule, kus vajadused ja võimalused märksa suuremad. Ja et seal ennast tõestada, on sellised referentsid olulised.”
Lisa leiad novembri Tehnikamaailmast.
