Wrocławscy studenci zbudowali autonomiczną łódź podwodną wartą 100 000 złotych

Łódź podwodna ROV 4.0 została zbudowana przez członków Koła Naukowego Automatyki i Robotyki ”Robocik” z Politechniki Wrocławskiej. Prezes stowarzyszenia Miłosz Lisowski oraz inni członkowie zarządu opowiedzieli mi o całym projekcie i zmaganiach, przed jakimi stali ze swoim zespołem.

”Robocik” to zespół około 60 studentów. Wszyscy działają jak mała firma technologiczna ze swoją strukturą. Ich najnowszym dziełem jest ROV 4.0, czyli autonomiczna łódź podwodna, z którą mają jechać m.in. na zawody do San Diego w USA.

Marcin Watemborski: Jeszcze niedawno było pewne, że z waszym wynalazkiem pojedziecie do USA i do innych krajów. Czy wasze plany są aktualne? Co z obostrzeniami dotyczącymi koronawirusa?

Miłosz Lisowski (prezes ”Robocika”): Na początku kwietnia mieliśmy lecieć do Singapuru. Z powodu panującej pandemii zawody zostały przełożone na sierpień. Zawody w USA również odbywają się w sierpniu, więc mamy nadzieję, że do tego czasu będzie już bezpiecznie.

Skąd w ogóle pomysł na autonomiczną łódź podwodną?

Pierwsza łódź podwodna powstała w naszym kole w 2010 roku w ramach pracy dyplomowej jednego z ówczesnych członków. Potem pomysł ucichł, wrócił w 2016 roku, gdy powstał projekt PWr Diving Crew zakładający tworzenie zdalnie sterowanych pojazdów podwodnych ROV (Remotely Operated Vehicle).

W 2017 roku stworzona została prototypowa konstrukcja ROV 2.0, a w następnym jej następca ROV 3.0 – już z zastosowanymi algorytmami sztucznej inteligencji. Chcieliśmy stworzyć coś innego, wyjątkowego. W końcu o autonomicznych pojazdach podwodnych AUV (Autonomous Underwater Vehicle) nie słyszy się codziennie.

Jaka jest różnica między ROV a AUV?

ROV to pojazd podwodny zdalnie sterowany. Sterowanie odbywa się ”po kablu”, ponieważ woda zagłusza sygnał wifi. Natomiast AUV to autonomiczny pojazd podwodny. Nie sterujemy nim. Sam ”wie”, co ma zrobić.

Nasza łódź może zarówno pełnić funkcję AUV – kiedy pracujemy z wykorzystaniem sieci neuronowych (tak też jest na zawodach), jak i ROV – kiedy podpinamy ją na kablu i sterujemy przy pomocy pada, np. podczas testów w celu zebrania datasetu.

Na czym polega ta autonomiczność?

Po wprowadzeniu łodzi do wody nie mamy nad nią fizycznej kontroli. Dzięki algorytmom i zestawowi czujników, i kamer, łódź sama rozpoznaje środowisko, w którym się znajduje i obiekty, które ją otaczają. Wie też, co powinna z nimi zrobić - zlokalizować konkretny obiekt, przenieść element czy też opłynąć dany obiekt w celu zbadania go.

Oczywiście wymaga to odpowiedniego przygotowania programu, ustalenia zadań do wykonania oraz wytrenowania sieci neuronowych tak, aby rozpoznawanie obiektów było możliwe. W przypadku zasięgu ograniczają nas jedynie baterie, a nie odległość. Przy pełnym obciążeniu i maksymalnej mocy silników łódź może pływać przez 2 godziny.

Może nią sterować operator?

Jasne, sterujemy routerem, który jest połączony kablem z łodzią. Obecnie pracujemy nad łącznością światłowodową. Nie stosujemy sterowania bezprzewodowego za pomocą pilota, ponieważ łódź po zanurzeniu momentalnie traci połączenie. Woda zagłusza sygnał.

Skoro woda zaburza sygnał, to cała łódź musi być uszczelniona.

Oczywiście zastosowanie zaawansowanych układów elektronicznych wymaga odpowiedniego zabezpieczenia ich przed wodą. Do wnętrza łodzi nie może dostać się chociażby kropla wody. Większość uszczelnień to nasze autorskie rozwiązania lub takie, które są powszechnie stosowane, a my je przerobiliśmy do naszych potrzeb. Stosujemy również czujniki ciśnienia oraz wilgoci.

Jak długo zajęło skonstruowanie końcowej wersji, która nie zatonie?

Łódź ROV 3.0 powstała w 2018 roku. Mimo że była stosunkowo udaną konstrukcją, posiadała swoje mankamenty - problemy ze szczelnością na większych głębokościach i utrudniony dostęp w przypadku serwisowania.

ROV 4.0. została zaprojektowana z myślą o dalszym jej rozwijaniu. Umożliwia łatwą wymianę poszczególnych komponentów, możliwość rozbudowy o dodatkowe moduły oraz szybki dostęp do elektroniki znajdującej się w środku.

Opracowaliście ROV 4.0 zupełnie sami?

Każda generacja naszej łodzi jest od podstaw tworzona przez nas samych. Opieramy się na doświadczeniu z poprzednich lat. Przemysł podwodny w Polsce jest mało rozwinięty, więc ciężko tu podpatrzeć pomysły u innych. Jeden z naszych partnerów, wrocławska firma Gralmarine, zajmująca się tworzeniem latarek dla płetwonurków, tworzy też swoje łodzie ROV. Często z nimi konsultujemy swoje pomysły. Oczywiście w rozwijaniu konkretnych podzespołów robota korzystamy z pomocy naukowców z Politechniki Wrocławskiej.

Mimo niepozornych rozmiarów to poważne urządzenie. Jakie przyrządy badawcze można do niej zainstalować?

Nasza łódź to nie tylko sam pojazd, który porusza się pod wodą. Jej funkcjonalność można zwiększyć poprzez zamontowanie na niej manipulatora lub wyrzutni torped. Absolutnie nie do celów militarnych – tak, żeby nie było kontrowersji. [śmiech]

To po co ta wyrzutnia?

Było to jedno z zadań na zawody w USA - wystrzelić mini pocisk do celu. Bardziej chodziło o sprawdzenie umiejętności sprawnego pozycjonowania łodzi w odniesieniu do określonego celu, nie o opracowanie broni przez studentów.

Łodzie tworzone przez nas przygotowywane są konkretnie pod zadania, które muszą wykonać na zawodach, w których bierzemy udział. Są one jednak zbliżone do realnych zastosowań takich pojazdów - ratownictwo wodne, badanie dna oceanicznego, pobieranie próbek do badań, inspekcja urządzeń, badanie powierzchni podlodowcowych. Możliwe jest to dzięki zastosowaniu hydrofonów do lokalizacji dźwięku, czujników odległości, głębokości, czy też kamer termowizyjnych.

Ile kosztuje takie cacko?

Dominik Wasiółka (wiceprezes ds. technicznych): Koszt łodzi w obecnej formie to ponad 100 tys. zł. Jest to jednak “goła” wersja bez dodatkowego wyposażenia. Przykładowo – dodatkowy manipulator kosztuje ok. 25 tys. złotych. Ciężko jest oszacować dokładny koszt łodzi, gdyż wiele komponentów, a także obróbkę materiałów otrzymujemy od naszych partnerów w formie barteru bez dokładnej wyceny.

Skąd tak wysokie koszty?

Przede wszystkim z racji zaawansowanej elektroniki oraz czujników. Główna platforma obliczeniowa robota, - karta graficzna Nvidia, w chwili jej budowy wynosiła 10 tys. zł. Koszt czujnika przyspieszeń (AHRS) służącego do pośredniego wyznaczania położenia łodzi to ok. 6400 złotych, a zestaw specjalistycznych hydrofonów służących do lokalizacji podwodnych źródeł dźwięku to 6000 zł.

Dodatkowo dochodzą koszty zakupu materiałów oraz ich obróbki (frezowanie, toczenie). Należy pamiętać o setkach roboczogodzin poświęconych przez członków naszej organizacji na rzecz projektowania, wykonania i oprogramowania pojazdu - gdyby te osoby miały otrzymać wynagrodzenie, koszt robota znacznie by wzrósł.

Zamierzacie pokazać łódź podczas konkursu w San Diego. Spodziewacie się dużej konkurencji?

Same zawody w Stanach Zjednoczonych są największym tego typu wydarzeniem na świecie i najbardziej prestiżowym. W zeszłym roku przybyło na nie 60 drużyn z całego świata, w tym z tak znanych uczelni, jak Caltech czy Cornell University. Każdy zamieszkały kontynent był reprezentowany przez co najmniej jeden kraj - od Brazylii, przez Egipt, Chiny i Japonię po nas Polaków. W tym roku spodziewamy się podobnej konkurencji.

Mimo wszystko kraje azjatyckie i amerykańskie przodują w technologiach łodzi podwodnych, a więc również na tych zawodach stanowią największe wyzwanie. Szczególnie reprezentacje chińskich uczelni i czołowych amerykańskich uniwersytetów są wysoko postawioną dla nas poprzeczką, jednak wiemy, że możemy im dorównać, a nawet pokonać.

Co będzie, jeśli nie wygracie? Czy pojawiły się firmy państwowe lub prywatne zainteresowane waszą technologią?

Aleksandra Maziarz (wiceprezes ds. organizacyjnych i promocji): Nawet jeśli nie wygramy, wrócimy z większym bagażem doświadczeń. Jest to nieocenione przy rozwijaniu kolejnych projektów. Ponadto pozwala nam nawiązać kontakt z innymi uczelniami i zobaczyć, jak pracują koła naukowe w innych zakątkach świata.

Dostajemy dużo ciekawych propozycji, z których często korzystają członkowie koła, bo w końcu działalność w kole to nie tylko wiedza o przemyśle podwodnym, ale ogólnie o machine learningu, konstrukcji czy organizacji. Natomiast jako koło skupiamy się na rozwoju naszego projektu - PWr Diving Crew.

Miłosz Lisowski: Często otrzymujemy różnego rodzaju zapytania - od tworzenia robota do suszenia sałaty, przez tworzenie oprogramowania po tworzenie robotów podwodnych do konkretnych zastosowań. Mogę zdradzić, że są osoby (byli i aktualni członkowie koła), którzy już nawet poczynili pierwsze kroki w kierunku założenia własnych firm.

Seamore to start-up założony przez byłych członków koła, który ma w planach zająć się tworzeniem robotów podwodnych typu ROV, związany właśnie z przemysłem podwodnym. Koło było też miejscem, gdzie powstały start-upy związane z inną dziedziną, np. Trasee - zajmujący się zliczaniem osób oraz badaniem ścieżek ich przepływu na podstawie obrazu z kamer CCTV.