De volgende stap in autonome voertuigen: de zelfvarende boot

Met de opkomst van autonome systemen besloot het Maritime Research Institute of the Netherlands (Marin) eind 2018 zijn testfaciliteiten uit te breiden naar het domein van autonome systemen en de bijbehorende software. Om deze nieuwe faciliteiten in Wageningen te ontwikkelen en te testen, heeft Marin de hulp ingeroepen van Alten, voor het bouwen van zijn eigen autonome schip.

Paul Raijmakers is consultant in de robotica bij Alten.

De laatste jaren is de populariteit van autonome systemen in verschillende domeinen toegenomen. De ontwikkeling van autonome drones en auto’s is in een vergevorderd stadium en de toepassingsmogelijkheden spreken tot ieders verbeelding. De opmars van autonome technologie heeft ook zijn weg gevonden naar de scheepvaart en maritieme voertuigen.

De term ‘autonoom systeem’ wordt breed gebruikt en is daarvoor te algemeen geworden. Met de toename in autonome systemen heeft de Society of Automotive Engineers (SAE) in 2014 zes niveaus gedefinieerd. Hoewel deze niveaus in principe zijn bedoeld voor de automotivesector, kunnen de concepten en verdelingen ook prima worden vertaald naar het maritieme domein.

Samen met Alten werkt het Maritime Research Institute of the Netherlands (Marin) aan een autonoom schip dat uiteindelijk niveau 4 moet halen. Volgens Lloyd’s Register – een classificatiebureau voor de scheepvaart – kan een systeem op dat niveau omgaan met speciale manoeuvres zoals aanmeren en afmeren, en manoeuvreren tussen obstakels zonder interventie van de bemanning. Op dit niveau moet de stuurman nog wel klaarstaan om in te grijpen als het systeem daartoe een verzoek indient.

Dolphin

Marin focust zich op onafhankelijk onderzoek naar de ontwikkeling en het gedrag van maritieme voertuigen. Door het gebruik van simulatoren, full-scale monitoring en hardware- en softwaretestfaciliteiten helpt Marin zijn klanten in de ontwikkeling van veilige, schone en slimmere schepen. Bestaande software van Marin, genaamd Dolphin, stelt ze in staat verschillende soorten schepen te analyseren en te simuleren. Een van deze mogelijkheden is de realtime simulatie van schepen in wisselende weer- en watercondities over de gehele wereld, zodat klanten ook hun operaties kunnen trainen. Dolphin excelleert in het uitvoeren van hydrodynamische analyses, structurele analyse en golfgedrag. Daarnaast kan het pakket simultaan grootschalige simulaties uitvoeren zoals interactie tussen schepen en vaarroutes.

Voor de ontwikkeling van zijn autonome schip heeft Marin een rigid hull inflatable boat (RHIB) die wordt uitgerust met de sensormodule Isam (intelligent situational awareness module) en de beschikking krijgt over een onafhankelijke sensormast en processing voor 3d lidar, radar, infrarood-camera’s, automated identification system, differential gps, kompas, bewegingssensoren, anemometer, vhf-radio en redundante 4g- en uhf-communicatiesystemen.

Marin en Alten bundelden eind 2018 de krachten om een architectuur te ontwikkelen voor een autonoom systeem van niveau 3. Vanaf dat niveau begint het systeem meer te interacteren met de omgeving en is het schip in staat sommige kritieke en veiligheidstaken over te nemen, gegeven specifieke omstandigheden. Schepen met dit niveau kunnen bijvoorbeeld zelf een route varen zolang er geen obstakels zijn. De bemanning is nog steeds vereist voor het continu monitoren van de omgeving.

Hiërarchische modi

Met een multidisciplinair team hebben Marin en Alten een softwarearchitectuur ontworpen op basis van het Robot Operating System (Ros). Ros biedt softwaredesigners een raamwerk voor de ontwikkeling van robotapplicaties. De flexibele structuur van Ros-Industrial maakt het een geschikte tool voor de snelle ontwikkeling van intelligente industriële systemen. Het systeem interfacet met de Dolphin-software van Marin, via de 4g-verbinding, voor high-level informatie zoals de locatie van het schip, maar kan ook autonoom functioneren.

De architectuur is gebouwd op drie belangrijke pijlers: veiligheid, onderhoudbaarheid en modulariteit. De veiligheid van het systeem wordt op de hoogste laag gewaarborgd door een state machine waarvan de toestand afhankelijk is van de gebruikersinputs. De toplaag van de state machine definieert vier onafhankelijke, hiërarchische modi.

In de Helmsman-modus ligt de controle van het systeem volledig bij de manuele aansturing door een stuurman aanwezig op het schip. Het systeem kan de aansturing niet beïnvloeden en sensoren kunnen alleen worden uitgelezen. Deze modus heeft de hoogste prioriteit en is fysiek gescheiden van de autonome aansturing.

In de line of sight/drive by wire-modus (LOS/DBW) wordt het systeem gecontroleerd via een externe afstandsbediening. Deze modus is geschikt voor het op afstand besturen van de RHIB (richting en snelheid), mits het schip binnen bereik is. De implementatie van deze modus is ook fysiek gescheiden van het autonome systeem en is in tweevoud uitgevoerd. De modus kan bijvoorbeeld worden gebruikt vanuit een volgschip om een correctie uit te voeren. In deze stand kan alleen de stuurman op de boot de Helmsman-modus activeren en de controle overnemen.

De Shore Control Centre-modus (SCC) stelt Marin in staat om de controle over te nemen vanuit een externe locatie. In deze modus kan het schip worden bestuurd vanuit een virtuele omgeving, bijvoorbeeld voor het uitvoeren van specifieke manoeuvres. Ook kan in deze stand high-level informatie zoals volledige autonome taken voorbereid en klaargezet worden. De Helmsman- en LOS-modus kunnen de controle altijd overnemen van deze modus, mocht dat nodig zijn.

Ten slotte is er de Auto-Pilot-modus. Die voert de vooraf gedefinieerde taken automatisch uit. Het boordsysteem controleert de aansturing, positionering en navigatie zonder externe input. De controle kan op elk moment door elk van de andere modi worden overgenomen.

Mixed reality

De onderhoudbaarheid van het systeem wordt gewaarborgd door het gebruik van Ros. Dit systeem stelt de gebruiker in staat sensordrivers en verschillende interfaces van derden te gebruiken als subsystemen. Het Ros-raamwerk scheidt de modules in aparte blokken met een expliciete interface ertussen. Daardoor zijn veranderingen aan de modules onafhankelijk van de interactie ertussen, wat de onderhoudbaarheid ten goede komt.

De modulariteit wordt ook deels afgevangen door het gebruik van Ros. Verder maakt de architectuur gebruik van een plug-instructuur waardoor sensordata zowel echt als gesimuleerd kunnen zijn. Dit is een zeer krachtige keuze omdat het Marin in staat stelt een mixed reality aan te bieden aan zijn klanten. Zo kunnen bijvoorbeeld gps- en ais-sensoren vanuit Dolphin worden gesimuleerd waardoor het schip denkt op een andere locatie te zijn. Hierbij kunnen scenario’s worden getest zonder fysiek op locatie te zijn.

Ook biedt de plug-instructuur de mogelijkheid om gedeeltelijke automatisering te testen. Zo kan een klant bijvoorbeeld alleen een routeplanner aanbieden en die testen op een echt systeem zonder ook sensoren, drivers of controllers te hoeven aanbieden. Het systeem kan dus worden samengesteld met echte en virtuele componenten.

Rotterdamse haven

Na twee maanden van ontwikkeling is in februari 2019 de kwalificatie voor de verschillende controlemodi gestart in de haven van Wageningen. Na succesvolle initiële tests en uitbereiding van de autonome componenten is het systeem in maart nogmaals getest in de haven van Rotterdam.

In nog geen half jaar tijd is het Marin en Alten gezamenlijk gelukt om een autonoom schip te ontwikkelen van niveau 3, inclusief kwalificatie op een realistisch systeem en testfaciliteiten.