Miehittämättömien kulkuneuvojen uudet kaupalliset ja tutkimustarkoituksiin liittyvät roolit
Alkuperäinen artikkeli: Peter Feuilherade e-tech 03/2018
Käännös: Jukka Alve
Historiasta löytyy useita esimerkkejä alun perin sotilaallisiin käyttötarkoituksiin kehitetyistä teknologioista, jotka on myöhemmin otettu siviilikäyttöön erilaisiin laajempiin tarkoituksiin ja halvemmin hinnoin. Miehittämättömät ilma-alukset ja muut miehittämättömät kulkuneuvot ovat tästä hyvä esimerkki.
Varhaisin muistiin merkitty taistelu, jossa käytettiin miehittämättömiä ilma-aluksia, joita tavallisesti kutsutaan drooneiksi, tehtiin vuonna 1849, jolloin Itävallan sotavoimat käyttivät ilman lentäjää lentäviä ilmapalloja pudottamaan ajastetulla sytytyslangalla varustettuja pommeja piiritettyjen italialaisten kapinallisten päälle Venetsiassa. Voimakkaat tuulet puhalsivat kuitenkin monia lentävistä pommeista takaisin kaupungin ylitse, ja ne putosivat mantereella leiriä pitäneiden Itävallan sotilaiden päälle.
Ensimmäisessä maailmansodassa kehitetiin ilman lentäjää toimivia aluksia, joita laukaistiin ilmaan katapultilla tai lennätettiin radio-ohjainta käyttäen. Miehittämättömiä tiedusteluilma-aluksia käytettiin laajalti Vietnamin sodassa, ja ensimmäinen täysin itsenäinen taistelukenttäilma-alus kehitettiin Israelissa vuonna 1973. Kahden viime vuosikymmenen aikana mm. Yhdysvallat, Yhdistynyt kuningaskunta ja Israel ovat käyttäneet miehittämättömiä ilma-aluksia valittujen kohteiden tappamiseen.
Nyt miehittämättömien ilma-alusten teknologia on levinnyt laajalle sotilaskäytön ulkopuolelle. Miehittämättömiä ilma-aluksia käytetään sadoissa kaupallisissa sovelluksissa, joista ympäristötutkimus ja ympäristönsuojelu ovat kasvavia sektoreita, erityisesti siitä syystä, että monet mallit ovat nyt pienikokoisia ja suhteellisen halpoja.
Ympäristövalvontarobotteja on sillä välin kehitetty 1990-luvulta lähtien. Miehittämättömät ilma-alukset, meri- ja maarobotit, joita käytetään joko yksittäin tai yhdessä, voivat kerätä tietoa ympäristön tilan tarkkailemiseksi erityisesti alueilla, jotka ovat liian vaarallisia ihmisille.
Monet IEC:n tekniset komiteat (TC) ja alakomiteat (SC) tekevät yhteistyötä kansainvälisten standardien kehittämiseksi miehittämättömissä ilma-aluksissa ja roboteissa käytettävää laajaa sähköteknisten järjestelmien, laitteiden ja sovellusten joukkoa varten.
Miehittämättömät ilma-alukset säästävät aikaa
Modernit miehittämättömät ilma-alukset – sekä roottoriin perustuvat, kuten nelikopterit, että kiinteäsiipiset – tarjoavat nopean, joustavan ja edullisen keinon ottaa ilmakuvia, tehdä mittauksia anturien avulla ja harjoittaa valvontaa.
Ilmastonmuutoksen vaikutusten tutkimiseksi valokuvat ja video voidaan yhdistää kolmiulotteisiksi malleiksi ja kartoiksi, joita käytetään mm. merenpinnan nousun ennustamiseen rannikkoseuduilla.
Siviilikäytössä olevien ennakkovaroitusjärjestelmien tärkeinä osina käytettävät valokuvauskameroin ja vedenpinnan korkeutta, lämpötilaa, ilmankosteutta ja muita parametreja mittaavin anturein varustetut miehittämättömät ilma-alukset ovat tärkeässä roolissa tulvavaaran ja muiden luonnonmullistusten ennustamisessa.
Valon spektriä suodattamalla saadaan tietoa sellaisista fyysisistä tekijöistä kuin lämpö, säteily ja kohinataso, samoin kuin epäpuhtauksien ja saasteiden lähteistä ja tyypeistä.
Ympäristönsuojeluun liittyviä käyttötarkoituksia miehittämättömille ilma-aluksille ovat tietojen kerääminen uhanalaisista eläimistä, eroosiosta ja metsätuhoista, aktiivisten tulivuorten tarkkailu, miinanpoisto-operaatioissa avustaminen, ydinvoimaloiden tilan arvioiminen onnettomuuksien jälkeen ja mahdollisesti vaarallisten alueiden, kuten entisten kaivosten ja kaivojen kartoittaminen.
Miehittämättömien ilma-alusten ja robottien käyttäminen käytöstä poistettujen voimaloiden ja kaivosten tarkastamisessa on osoittanut saavansa aikaan sekä taloudellisia säästöjä että nopeus- ja turvallisuusparannuksia perinteisiin menetelmiin verrattuna.
Lennonohjainten ja elektronisten nopeussäätimien lisäksi akkukäyttöisissä miehittämättömissä ilma-aluksissa yleisiä teknologioita ovat sisäinen GPS-paikannusmoduuli, joka kertoo alukselle, missä se on ja minne kamerat osoittavat kullakin hetkellä, ja mikro-ohjain (microcontroller, MCU), joka mahdollistaa erilaisista antureista saatavien signaalien käsittelyn reaaliaikaisesti. Tietoliikenneyhteys alukselle mahdollistaa navigointi-, lento- ja kamerakäskyjen lähettämisen sekä sijaintitietojen ja reaaliaikaisen videokuvan vastaanottamisen sen kamerajärjestelmistä.
IEC:n kansainväliset standardit kattavat valtaosan miehittämättömissä ilma-aluksissa käytettävistä komponenteista, kuten GPS-yksiköt, langattomat lähettimet, signaaliprosessorit, akut, mikroelektromekaaniset järjestelmät (microelectromechanical systems, MEMS) ja muut anturit.
IEC TC 47 Semiconductor devices ja SC 47F Microelectromechanical systems ovat vastuussa kansainvälisten standardien laatimisesta antureissa ja mikroelektromekaanisissa järjestelmissä (MEMS) käytettäville puolijohdekomponenteille, jotka ovat keskeisen tärkeitä miehittämättömien ilma-alusten turvalliselle lennättämiselle. Näihin kuuluvat kiihtyvysanturit, korkeusmittarit, magnetometrit (kompassit), gyroskoopit ja paineanturit.
IEC TC 2 Rotating machinery laatii kansainväliset standardit pyörivien sähkökoneiden spesifikaatioille ja TC 91 Electronics assembly technology on vastuussa elektroniikan kokoonpanotekniikan standardeista, mukaan lukien komponenttistandardit.
Älykkäät anturit mahdollistavat uusia käyttötarkoituksia
Liiketunnistimia, kuten kiihtyvyysantureita, gyroskooppeja ja kompasseja, käytetään ilma-aluksen navigointiin ja sen tarkan sijainnin seurantaan sekä tasapainotukseen. Esteiden havaitsemiseen ja törmäysten välttämiseen käytettäviä antureita ovat ”yksisilmäiset” näköaistianturit, ultraäänianturit (sonar), infrapuna, valoon perustuva tutka (Light Detection and Ranging, LiDAR) , lentoaika- ja näköanturit.
Valokuvauslaitteita on olemassa näkyvälle valolle suunnitelluista päivänvalossa käytettävistä kameroista suuriresoluutioisiin RGB (red, green, blue) –värikameroihin. Infrapuna-antureista saadaan lämpökuva pimeän aikana.
Monispektriset kamerat, näköaistikamerat, valon kulkuaikakamerat, LiDAR- ja fotogrammetriakamerat mahdollistavat uusia käyttötarkoituksia miehittämättömille ilma-aluksille. Fotogrammetria on tekniikka, jossa miehittämättömän ilma-aluksen vinosta kulmasta, ylhäältä alaspäin ja sivusuunnasta ottamat pysäytyskuvat ja video yhdistetään hyvin tarkoiksi kolmiulotteisiksi malleiksi.
Muita erikoistuneita antureita voidaan lisätä erityisiä tehtäviä varten. Esimerkiksi erittäin herkkiä kemikaaliantureita käytetään miehittämättömissä ilma-aluksissa kaasu- ja öljyputkien tarkastamiseen mekaanisten vikojen ja vaurioiden havaitsemiseksi nopeasti ja tehokkaasti.
Navigant Research huomautti vuodelta 2017 peräisin olevassa raportissaan, että kehittyneet akkukemiat (litiumioni) ovat halventuneet viime vuosina, ja niitä käytetään enenevässä määrin miehittämättömissä ilma-aluksissa sekä maa- ja merikulkuneuvoissa. “Niillä on keskeinen rooli miehittämättömien ilma-alusten (UAVs), miehittämättömien maakulkuneuvojen (UGVs) ja miehittämättömien vedenalaisten kulkuneuvojen yleistymisessä”, Navigant ennustaa.
IEC SC 21A: Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes laatii kansainväliset standardit liikkuvissa sovelluksissa käytettäville akuille sekä myös suurikapasiteettisille litiumkennoille ja –akuille.
Robotit auttavat pitämään meret puhtaina
Kuten miehittämättömien ilma-alusten tapauksessa, sotilastarkoituksiin kehitetyt robotit edelsivät teollisuustarkoituksiin kehitettyjä robotteja. Neuvostoliitto ja Saksa tuottivat sarjan langattomasti kauko-ohjattuja miehittämättömiä robottihyökkäysvaunuja 1930-luvulla ja 1940-luvun alussa, kun taas modernit teollisuusrobotit luotiin 1940-luvun lopussa, ja ne kehittyivät kykeneviksi suorittamaan teollisuuden tehtäviä 1960-luvulla.
Teknologiat, joita asevoimat käyttivät kauko-ohjattujen tai autonomisten maalla tai merenpinnalla tai merenpinnan alla kulkevien kulkuneuvojen rakentamiseen sotanäyttämöllä käytettäviksi, ovat mahdollistaneet niidenkin robottien kehittämisen, joita voidaan käyttää ympäristönsuojelutarkoituksiin. Näihin kuuluvat myrkyllisten aineiden vuotojen käsittely kaivoksissa, saasteiden siivoaminen rannoilta ja julkisilta alueilta, ja merenalaisten ympäristöjen valvonta.
Huomionarvoinen esimerkki oli merirobottien käyttäminen Meksikonlahdella Deepwater Horizon -öljynporauslautan vuonna 2010 tapahtuneen öljyvuodon aiheuttamia ympäristövahinkoja vastaan taistelemiseksi ja niiden mittaamiseksi.
Autonomiset merikulkuneuvot käyttävät valikoimaa erilaisia teknologioita, joihin kuuluvat sonar, kamerat, anturit, magneettiset ilmaisimet, laserskannerit, vedenlaatumittarit ja muut erikoislaitteet, jotka riippuvat siitä, minkä tyyppistä tietoa ympäristöstä halutaan kerätä. Esimerkkejä erilaisista tietolajeista ovat meriveden lämpötila, suolaisuus, vuorovesivirtaukset, planktonin määrä, sää ja aaltotilanne.
Pienet itsenäiset merenpinnalla tai sen alla liitävät alukset käyttävät aaltojen liikettä ja aurinkoenergiaa tuhansien mailien kulkemiseen merellä ilman polttoainetta. Nämä miehittämättömät alukset on varustettu useilla antureilla ja niitä käytetään sekä sotilas- että siviilisovelluksiin. Jälkimmäisiin kuuluvat öljyn- ja kaasunporauslauttojen toiminnot sekä tieteellinen tutkimus, kuten vesinäytteiden otto, ympäristön tarkkailu ja akustinen valvonta.
Pienemmässä mittakaavassa itsenäisiä akkukäyttöisiä merirobotteja eli ”vesidrooneja” ovat kehittäneet sellaiset keksijät kuin Richard Hardiman, joka vetää projektia nimeltä WasteShark. Niiden tarkoituksena on kulkea hiljaa edestakaisin satamissa, venesatamissa ja kanaaleissa keräten meressä olevia roskia häiritsemättä kaloja ja lintuja.
Australiassa ja Yhdysvalloissa toimiva Aquabotix-yritys, joka valmistaa miehittämättömiä vedenalaisia kulkuneuvoja, on kehittänyt hybridikulkuneuvoja, jotka voivat toimia veden pinnalla tai jopa 50 m syvyydessä sen alla monenlaisissa muodostelmissa eli parvissa. Vedenalaisiin robotteihin on asennettu räätälöityjä antureita, jotka voivat toimia yhdessä ja joita voidaan käyttää sekä sellaisiin tiedonkeruuoperaatioihin kuin merten ekologiset kartoitukset että puolustustarkoituksiin.
Suunniteltu vaarallisiin ympäristöihin
Pintaroboteille on löytynyt oma markkinarakonsa radioaktiivisista ja myrkyllisistä ympäristöistä. Yhdysvalloissa 1979 tapahtuneen Three Mile Islandin ydinonnettomuuden jälkeen robotteja käytettiin valokuvaamalla ja radioaktiivisuutta mittaamalla tehtäviin tarkastuksiin sekä näytteenottoon betonista ja puhdistukseen.
Vuonna 2017, kuusi vuotta Fukushima Daiichi –ydinvoimalassa tapahtuneen onnettomuuden jälkeen japanilaiset insinöörit ottivat käyttöön radioaktiivisuutta kestävistä materiaaleista tehdyn, antureilla varustetun vedenalaisen robotin sulaneen uraanipolttoaineen löytämiseksi yhden tulvaveden alle joutuneen reaktorin sisältä tuhoutuneessa laitoksessa. Kenkälaatikon kokoinen robotti käytti pieniä potkureita veden päällä leijumiseen ja vedessä liukumiseen, mikä matkii miehittämättömän ilma-aluksen liikkeitä.
Yhdysvaltojen energiaministeriö, Department of Energy (DOE), aikoo käyttää räätälöityjä, itsenäisesti liikkuvia robotteja uraaniesiintymien tunnistamiseen osana suljetun uraanirikastamon käytöstä poistoa. Robotit varustetaan LiDAR-anturein ja kalansilmäkameroin esteiden havaitsemiseksi ja kiertämiseksi, kun taas toiset anturit mittaavat radioaktiivisuutta.
Säteilynkestävien robottien lisäksi kehitetään muunlaisia robotteja vaarallisiin ympäristöihin, kuten räjähdyssuojattuja robotteja hiilikaivoksissa käytettäväksi, näytteidenottorobotteja biokemiallisten näytteiden ottamista varten ja palontorjuntarobotteja.
Joukko IEC:n teknisiä komiteoita ja alakomiteoita on mukana laatimassa kansainvälisiä standardeja roboteissa käytettäviä sähköteknisiä järjestelmiä, laitteita ja sovelluksia varten. Edellä mainittujen komitean IEC TC 47 Semiconductor devices, alakomitean IEC SC 47F Microelectromechanical systems ja komitean IEC TC 2 Rotating machinery lisäksi muita IEC:n teknisiä komiteoita, jotka ovat mukana tiettyjen ympäristönvalvontarobottien erityisalueiden standardointityössä, ovat IEC TC 44 Safety of machinery – Electrotechnical aspects, IEC TC 17 Switchgear and controlgear ja IEC TC 22 Power electronic systems and equipment. Komitea IEC TC 56 Dependability käsittelee elektronisten komponenttien ja laitteiden luotettavuutta.
Miehittämättömät ilma-alukset ja robotit työskentelevät yhdessä
Miehittämättömien ilma-alusten ja robottien kykyjen yhdistäminen avaa parempia mahdollisuuksia ympäristönsuojelulle ja ympäristötutkimukselle, esimerkiksi mahdollistamalla valokuvien ottamisen sekä merenpinnan alta että sen päältä.
Euroopan unioni (EU) on rahoittanut joukkoa projekteja, johon sisältyy erityyppisten ja erilaisilla kyvyillä ja ominaisuuksilla varustettujen robottikulkuneuvojen yhteistyötä öljyvuotojen seuraamiseksi ja torjumiseksi. Laivasto, johon kuuluu sekä miehittämättömiä ilma-aluksia, itsenäisiä vedenalaisia kulkuneuvoja ja miehittämättömiä pinta-aluksia, on suorittanut joukon harjoituksia Adrian merellä ja Välimerellä vuodesta 2014 alkaen.
Vaikka miehittämättömille itsenäisille kulkuneuvoille on monia uusia käyttötarkoituksia ympäristön valvontatehtävissä, tämä sektori muodostaa vain pienen osan kaupallisten miehittämättömien ilma-alusten ja robottien kokonaismyynnistä.
Eri markkinatutkimusyhtiöillä on suurta hajontaa kaupallisia miehittämättömiä ilma-aluksia koskevissa ennusteissa maailmanmarkkinoiden arvosta lähivuosina, koska joihinkin ennusteisiin sisältyy kuluttajille tarkoitetut droonit. Research and Markets ennustaa, että markkinoiden odotetaan kasvavan 755 miljoonasta Yhdysvaltojen dollarista vuonna 2017 jopa 2034 miljardiin Yhdysvaltojen dollariin vuonna 2022, yhdistetyn vuotuisen kasvuvauhdin Compound Annual Growth Rate (CAGR) ollessa 21,91 % viiden vuoden ajanjaksona. Transparency Market Research ennustaa, että maailmanlaajuiset kaupallisten droonien markkinat kasvavat yhdistetyllä vuotuisella kasvuvauhdilla (CAGR) 13,8 % vuodesta 2017 vuoteen 2025, liikevaihdon saavuttaessa 8,8 miljardia Yhdysvaltojen dollaria vuonna 2025.
Erityisesti ympäristönvalvonnassa käytettäviksi suunniteltujen miehittämättömien ilma-alusten ja robottien kysynnän odotetaan kasvavan, kun eri maiden hallitukset käynnistävät lisää hankkeita saastetilanteen arvioimiseksi ja saasteiden vähentämiseksi.
Lisää suosikiksi