El futuro: la preparación del casco robótico autónomo

Interfaz de usuario autónoma para la preparación del casco. Foto Cortesía de Greensea Systems

Dos años de aseo. Paneles recubiertos de 6 pulgadas x 12 pulgadas cada semana (parte superior) en comparación con los paneles sin apilar (parte inferior). Foto Cortesía de Greensea Systems

Robot de preparación en un pequeño recipiente en el lado del muelle, como lo muestra otro vehículo de preparación. Foto cortesía de Greensea Systems

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La bioincrustación del casco del barco tiene un impacto significativo en la preparación de la flota, el rendimiento del barco, el costo y el medio ambiente. El biofouling da como resultado un mayor arrastre hidrodinámico, lo que se traduce en un mayor uso de combustible y mayores emisiones por distancia recorrida que un casco hidráulicamente suave. Un estudio de Schultz, et al. encontró que el índice de contaminación (FR) típico de un buque de la clase DDG-51 de la Armada de EE. UU., FR-30, aumenta el consumo de combustible en un 10,3% con respecto a un DDG-51 hidráulicamente suave. Los resultados mostraron que la reducción de esta clasificación de incrustaciones a FR-20 conduciría a ahorros de $ 340K por barco y más del doble que cuando el casco se mantuvo en una calificación de incrustaciones de FR-10, ahorrando a la Marina de los EE. UU. Casi $ 800K por casco anualmente. Y mientras que tales estudios en embarcaciones comerciales son casi inexistentes, los efectos económicos similares de las incrustaciones son ciertos. Un informe reciente citó que el EMMA MAERSK, un contenedor de 397 m, estimó gastar aproximadamente $ 20,000 por día en combustible propulsor perdido por la bioincrustación.

El impacto económico de las incrustaciones también se debe a las costosas actividades convencionales de limpieza y contención. Un estudio realizado en 2016 por encargo de la Guardia Costera de los EE. UU. Determinó que el costo de eliminar las bioincrustaciones ligeras del casco de un barco es de $ 0.33 por pie2 (aproximadamente $ 3.55 por m2). Basado en esa estimación, la eliminación completa de bioincrustaciones de un DDG-51 costaría más de $ 10k, mientras que el costo de eliminar la bioincrustación de un barco de contenedores de clase Panamax costaría más de $ 98K. Estas estimaciones son para los métodos de limpieza tradicionales, que degradan los recubrimientos de ablativo utilizados para el antiincrustante, lo que lleva a un acoplamiento en seco para volver a recubrir una vez cada pocos años. El acoplamiento en seco de un barco grande puede costar entre $ 1M y $ 2M.

Las incrustaciones también tienen impactos ambientales significativos, desde las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas con el aumento de los costos del combustible propulsor, hasta las toxinas liberadas por la limpieza en el agua. Muchos países ahora requieren la contención de la limpieza en el agua o la prohibición de la práctica mientras se encuentran en puerto. Los procesos tradicionales de limpieza intensa que se utilizan para limpiar los cascos sucios son costosos, ineficientes para las operaciones, dañan el revestimiento del casco y son inaceptables para el medio ambiente. Una alternativa al proceso reaccionario de limpieza intensa es la interrupción regular y completa del crecimiento en el revestimiento del casco de la embarcación mediante el cepillado suave con pequeños cepillos de cerdas suaves. Este proceso, conocido como aseo del casco, es similar a lavarse los dientes todos los días para evitar una visita mensual al dentista y un tratamiento de conducto anual. La investigación dirigida por el Dr. Geoffrey Swain en el Centro para el Control de la Corrosión y la Biofouling del Instituto Tecnológico de la Florida (FIT CCBC) ha sido pionera en la metodología y la práctica del aseo del casco, demostrando que es una práctica rentable para controlar la bioincrustación y libera muchas menos toxinas. en el agua que la limpieza. Debido a que la preparación del casco solo cepilla ligeramente el casco del barco y no elimina el recubrimiento, no es necesario su contención y se prolonga la vida útil del recubrimiento original, alargando el período entre el costoso acoplamiento en seco. Además, la preparación del casco se realiza con pinceles livianos que permiten un contacto muy suave en el casco del barco. Esto permite cepillos manuales que pueden ser fácilmente operados por buceadores o incluso herramientas de cepillo que pueden ser operados por pequeños robots que se arrastran en el casco. La falta de necesidad de equipo pesado para lanzar y recuperar una herramienta de limpieza aumenta aún más el costo-beneficio.

Preparación del vehículo en el trabajo. Foto Cortesía de Greensea Systems

Sin embargo, para ser efectivo, la preparación del casco debe hacerse tan regularmente como una vez a la semana o más y debe ser exhaustiva, sin dejar huecos ni omisiones. (Continuando con la analogía anterior de cepillarse los dientes, imagine cepillarse todos menos unos pocos dientes: una visita al dentista aún está en su futuro). Los requisitos de regularidad y minuciosidad para el aseo del casco presentan desafíos para la viabilidad. Por ejemplo, un barco de clase DDG-51 comprende aproximadamente el 22% de la flota de la Armada de los EE. UU. Por número y aproximadamente el 22% por área del casco mojado. La preparación del área húmeda total de esta parte de la flota de la Armada de los EE. UU. Una vez a la semana es logística y financieramente prohibitiva sin un medio robótico para hacerlo. Incluso con una solución robótica, el tiempo de preparación podría ser de más de 15 horas por barco si se usa un solo robot pequeño y se garantiza una superposición del 50% de las rutas de limpieza.

Varios esfuerzos en la última década han contribuido a mejorar la capacidad de aseo robótico. Estos esfuerzos han producido herramientas probadas, métodos de aseo, plataformas robóticas, procesos de garantía de calidad y métodos de acoplamiento no magnéticos para permitir que los robots se desplacen a lo largo del casco de un barco. ¿Por qué entonces, después de casi una década de investigación y no menos de 15 "robots de limpieza de cascos" disponibles en el mercado, todavía no tenemos una solución que esté realmente lista para ser adoptada por la comunidad de criadores de barcos? La razón es tan antigua como la robótica. Hasta que el robot pueda hacer el trabajo como se espera con una mínima participación del operador y hasta que la relación persona-robot sea óptima, un robot no es aplicable para el trabajo.
Un robot que puede realizar una tarea se basa en tres consideraciones principales: navegación, control y comunicación. Navegación: ¿Puede el robot saber con precisión dónde se encuentra en el entorno y cómo llegar a donde se requiere? Control: ¿Puede el robot maniobrar y operar con precisión para la tarea? Comunicación: ¿Podemos comunicar de manera significativa nuestros comandos al robot e interpretar el estado del robot? Si no se proporciona completamente para cualquiera de estas consideraciones, se evita una solución robótica óptima. Esto, creemos, es la razón por la cual aún no se ha entregado una solución robótica para el aseo del casco.

Greensea Systems, Inc., una compañía de software especializada en soluciones avanzadas de navegación, control y autonomía para robótica marina, se asoció con el equipo de preparación del casco de FIT CCBC en 2017 para explorar una solución robótica óptima para la limpieza del casco. Con el financiamiento de la Oficina de Investigación Naval de la Marina de los EE. UU., El equipo de Greensea y CCBC FIT presentó un prototipo de sistema robótico en 2018 que puede preparar de forma autónoma el casco de un barco con muy poca información del operador, al tiempo que proporciona una precisión de posicionamiento en el casco de menos de 0.15 m RMS. Este prototipo de sistema utilizó un sistema de ROV disponible comercialmente equipado con un sistema de guía y control desarrollado por Greensea y una herramienta de cepillo de aseo desarrollada por FIT CCBC.
Acompañando a la solución de navegación, Greensea utilizó sus módulos avanzados de software de planificación de misión y autonomía utilizados para vehículos operados a distancia (ROV). Estos módulos de software OPENSEA proporcionan las herramientas y capacidades para especificar una región para la preparación, planificar la cobertura de la preparación y ejecutar una operación de preparación autónoma. El operador puede supervisar como un experto en la materia (SME) o dejar el vehículo solo para realizar la operación sin asistencia. El papel de la autonomía en el proceso de aseo robótico es crítico para la viabilidad de este proceso debido al tiempo requerido para asegurar una cobertura del 100% en el casco del barco.

Para proporcionar las capacidades de navegación y autonomía para el robot de limpieza del casco, Greensea aprovechó OPENSEA, su plataforma de software de arquitectura abierta. El robot autónomo de limpieza del casco utiliza un sistema de navegación inercial y un sonar multihaz para proporcionar un reconocimiento basado en características de la posición del robot en el casco de la nave. Todo el sistema de aseo del casco se implementa en un patín de tractor independiente del vehículo, incluidos los sistemas de navegación y control, la autonomía, el sonar y la herramienta de aseo. El patín de aseo puede adaptarse fácilmente a la mayoría de los ROV comerciales. Greensea está comercializando el sistema en 2019 en un VideoRay MSS ROV.

Una interfaz gráfica de usuario intuitiva desarrollada a partir del software de Greensea para equipos de eliminación de artefactos explosivos (EOD) proporciona la comunicación con el robot necesaria para que un técnico planifique, ejecute y documente el proceso de preparación del casco. El espacio de trabajo para la preparación del casco proporciona una vista para planificar la operación de limpieza por región, la superposición del sonar para evitar obstáculos y el video para un conocimiento completo de la situación. Los indicadores gráficos en la pantalla registran el progreso del vehículo en el casco y muestran la franja de aseo. El área de trabajo también permite a los técnicos guardar y recuperar planes de aseo, registrar obstáculos y obstáculos, y registrar todos los datos para archivarlos y reproducirlos.
La precisa solución de navegación relativa al casco de Greensea está habilitando robots autónomos para aplicaciones de casco y ha hecho que la preparación del casco sea una alternativa viable a la limpieza de agua que sea rentable y responsable con el medio ambiente. Greensea está comercializando el robot autónomo de limpieza del casco, así como la tecnología de navegación y preparación, en 2019.

Nota a pie de página: Greensea y FIT CCBC desean agradecer a Office of Naval Research y DARPA por su apoyo al desarrollo del robot autónomo de limpieza del casco, así como a la tecnología de localización y navegación basada en funciones que utiliza el sistema de navegación.

El autor
Ben Kinnaman es el fundador y CEO de Greensea Systems, Inc. Ha desarrollado su carrera en la industria marina y creó la plataforma de software de arquitectura abierta OPENSEA que Greensea utiliza para avanzar en la robótica marina. [email protected]

Ben Kinnaman es el fundador y CEO de Greensea Systems, Inc.