Le HullBug fait gagner 10 km/h aux bateaux.

Une chenille robotisée spécifiquement développée pour cet usage retire les couches de biofilms sur la coque d'un navire. Le choix des bons entraînements constituait une étape importante du développement de ce véhicule autonome à accumulateur.

Au fil des années, des couches de biofilms s'accumulent sur de nombreux navires de grande taille. Ce phénomène, appelé « fouling » réduit considérablement leur vitesse. Pour pallier ce processus de dépôt, les coques des navires sont souvent enduites de peintures toxiques. Ce procédé est cependant dange-reux pour l'environnement puisque la peinture utilisée libère du cuivre et d'autres métaux lourds dans le biotope marin, ce qui nuit aux organismes vivants qui l'occupent. De plus, la peinture doit être grenaillée et renouvelée tous les cinq à dix ans. Des tonnes de déchets toxiques sont ainsi produites. Grâce à un outil de raclage, le HullBug élimine les couches de biofilms de manière écologique et efficace.

Un navire naviguant avec une coque propre est beaucoup plus efficace, ce qui permet de réaliser des économies de carburants de plus de cinq pour cent. De plus, un navire de grande taille peut accroitre sa vitesse de jusqu'à 10 km/h grâce à un nettoyage efficace. Lorsque le problème des couches de biofilms est éliminé, le revêtement des parties immergées peut être optimisé et la protection contre la corrosion redevenir la préoccupation centrale. Si cette méthode était pratiquée sur tous les navires actuellement opérationnels dans le monde entier, les économies d'énergies générées contribueraient de manière significative à réduire les gaz à effet de serre. Afin d'éviter durablement de recourir à des peintures toxiques, il convenait de trouver une méthode capable d'éliminer de manière efficace le biofilm présent sur les coques des navires. C'est à partir de ces recherches que le concept du HullBUG (Hull Bioinspired Underwater Grooming) a été développé.

«La principale caractéristique du HullBUG est son encombrement réduit », explique Kenneth Holappa, chercheur chez SeaRobotics. Le robot ne mesure en effet qu'environ 50 cm de long. Il s'agissait d'un critère de construction indispensable pour que le véhicule puisse manœuvrer sur la surface incurvée de la coque du navire sans pour autant ne plus être en contact avec cette même surface. L'utilisation d'un tel appareil représentant des dangers et le HullBUG pouvant être perdu dans un port ou être détruit en cours de fonctionnement, il était donc important de réduire au maximum sa taille et ses coûts. Depuis le début du projet, l'encombrement réduit et les coûts peu élevés constituaient donc des facteurs décisifs pour une mise en œuvre satisfaisante du projet HullBUG. Ces exigences spécifiques en termes de taille et de poids avaient également un impact sur le choix des composants techniques destinés au HullBUG.

Composants de la commande de déplacement
Lors du choix des moteurs d'entraînement du HullBUG, une série de restrictions et de compromis décisifs relatifs à la construction sont entrés en jeu. Ainsi, SeaRobotics a opté pour la fabrication de deux modèles de base, l'un avec roues et l'autre avec chenilles. Pour définir la taille des moteurs, il était nécessaire de procéder à une évaluation des indicateurs tels que la puissance, le régime et le couple des appareils finis. Il convenait entre autres de prendre en compte la résistance engendrée par la poussée de l'outil de raclage sur la coque, la résistance hydrodynamique du véhicule lors de son déplacement dans l'eau, les pertes par friction dans les joints d'étanchéité de l'arbre protégeant les moteurs de l'eau saline, ainsi que, en fonction de la version, le frottement des roues ou des chenilles.

«Après avoir étudié scrupuleusement les différents composants, nous avons finalement opté pour des moteurs et des réducteurs maxon motor», expliquait M. Holappa. « Ces moteurs ne constituent pas seu-lement une solution avantageuse en termes de coûts, mais sont également très efficaces et extrêmement simples à mettre en place». L'entreprise a opté pour des moteurs plats EC avec réducteur planétaire. La version à chenilles du HullBUG comprend deux entraînements (EC45 flat + GP42C) et la version à roues en comprend quatre.

Un moteur EC45 supplémentaire est intégré à l'outil de raclage du robot. Ce dernier est associé à un réducteur à pignon droit simple. Pour l'entraînement du système de dépression qui maintient le HullBUG sur la face inférieure du navire, un moteur plat EC90 puissant est utilisé.

axon motor propose une gamme complète de moteurs à courant continu avec rotor sans fer et moteurs sans balais dans des dimensions de 6 mm à 90 mm et de 30 mW à 500 watts. «La gamme étendue des produits ainsi que la qualité du service nous ont donné le sentiment d'avoir choisi le bon partenaire » rajoute M. Holappa. Les moteurs fabriqués par maxon motor présentent une longue durée de vie associée à des dimensions compactes. L'ensemble de la série des moteurs EC sans balai est à commutation électronique, ce qui confère aux moteurs une durée de vie très élevée puisqu'il n'y a aucune usure. Les moteurs sélectionnés ont été conçus spécialement pour les applications robotiques, pour lesquelles les dimensions et le poids constituent des critères primordiaux. Les moteurs plats EC45 choisis pour le HullBUG sont extrêmement efficaces et pèsent chacun 75 grammes seulement. Les six moteurs plats EC présentent une puissance utile de plus de 30 watts. La spécification la plus importante pour cette application était le couple. Selon le bobinage, le EC45 fournit un couple maximal durable pouvant atteindre 56 mNm, même dans les conditions ambiantes difficiles dans lesquelles le HullBUG est utilisé. M. Holappa explique: « L'importante capacité de charge des réducteurs GP42 nous permet de monter directement les roues sur les arbres des réducteurs, ce qui réduit considérablement la complexité de la construction du système».
 
Les réducteurs fabriqués par maxon sont disponibles avec de nombreux rapports de réduction différents afin de permettre, pour chaque application, une réduction du régime et une multiplication du couple. Pour pouvoir poursuivre l'objectif d'autonomie totale du HullBUG, celui-ci devait être conçu de sorte à pouvoir fonctionner plusieurs heures sur batterie. La présence de câbles ne pouvait qu'entraver les travaux de raclage. Afin de pouvoir atteindre une durée de vie élevée de la batterie, le raclage du biofilm doit également s'effectuer de la manière la plus efficace possible.

Navigation intelligente
Dans le cas d'une navigation aléatoire, comme cela est par exemple le cas avec une tondeuse à gazon électrique, le travail est certes effectué, mais pas assez rapidement. De plus, un navire possède souvent une très grande surface immergée, supérieure à 3000 m2. Pour maintenir cette surface propre, un exploitant doit utiliser simultanément plusieurs véhicules HullBUG. Il a donc besoin d'un système qui garantisse une navigation coordonnée et réfléchie. C'est la raison pour laquelle un kit de différents modes de navigation a été développé. Celui-ci permet de nettoyer un navire de manière efficace à l'aide de plusieurs HullBUG. Ainsi, la surface immergée du navire est divisée en zones. De nombreux algorithmes ont été intégrés dans le but de nettoyer le navire par étapes. Des algorithmes supplémentaires et les capteurs correspondants ont été utilisés afin de garantir un nettoyage efficace du fond de cale du bateau. En outre, il est possible de commander le HullBUG par le biais du Miniature Acoustic Ranging Sonar (MARS).

Pour ce faire, un sonar de courte distance avec faisceau d'émission a été spécifiquement développé pour permettre au véhicule de «voir» les parois pouvant lui faire obstacle ou les bordures au-delà desquelles il pourrait tomber. Un autre mode de navigation possible utilise des systèmes de capteurs électro-mécaniques (MEMS) pour les informations de navigation. Un autre mode de retours utilise l'odométrie basée sur codeur. Celle-ci permet de déterminer la position d'un système mobile à l'aide des données de son système de propulsion. Les retours du capteur du moteur sont alors utilisés pour évaluer le trajet avec exactitude. En raison de leur encombrement réduit et pour des raisons de coûts, les capteurs à effet Hall du moteur sont utilisés à la place de codeurs optiques supplémentaires. Les capteurs à effet Hall permettant de mesurer l'odométrie à l'aide de la combinaison moteur/réducteur choisie proposent une exactitude inférieure à un millimètre.

Evolution logicielle continue
Une fois un système adapté pour la commande de déplacement sélectionné et implémenté pour un véhi-cule autonome, le logiciel représente toujours l'une des plus importantes parties des efforts de dévelop-pement. Un des principaux défis de l'équipe de développement consistait à élaborer des manœuvres de navigation fiables et sans dysfonctionnements, garantissant un positionnement précis même dans des conditions spéciales. Plusieurs programmations ont été nécessaires afin de pouvoir réagir à différentes situations susceptibles de survenir au cours du nettoyage de la coque. La partie la plus difficile de ce système complexe consistait en une bonne organisation de la logique de la commande permettant une extension du comportement de navigation.

«Même après plusieurs années de travail acharné, le développement logiciel continue de représenter une charge de travail très importante», explique M. Holappa. «Bien que le véhicule soit entièrement opérationnel, des tests généraux doivent encore être effectués sur des navires». Le véhicule doit être capable dès à présent de résoudre ses tâches dans des conditions très défavorables et sur des terrains non cartographiés. Par ailleurs, il doit être en mesure de retourner à la surface de l'eau pour être récupéré. Cela paraît certes très compliqué, mais M. Holappa est optimiste: «Un technicien a récemment été formé à l'utilisation et il a réussi à maitriser rapidement l'appareil. L'interface utilisateur a été reprise de la série de produits Unmanned Surface Vehicle (USV) de SeaRobotics. Elle possède une interface graphique intuitive déjà éprouvée par des centaines d'heures d'utilisation chez de nombreux clients». Le véhicule est opérationnel et le logiciel de navigation fonctionne. La prochaine étape sera la structuration de l'interface afin de rendre le système HullBUG convivial et utilisable même par une personne n'ayant reçu aucune formation technique spécifique.
 

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