Khảo sát đến đáy các vùng nước chính xác là một nhiệm vụ rất khó khăn. Chính quyền và các công ty quản lý khai thác cảng thường xuyên được yêu cầu cung cấp bản đồ cập nhật về tình trạng lòng sông và những công trình cơ sở của cảng.

Cho đến nay, nhiệm vụ này đòi hỏi phải sử dụng những tàu lập bản đồ đặc biệt và với sự tham gia của nhiều nhân lực. Quy trình rất tốn kém, không được thực hiện với độ chính xác cao và tần suất phù hợp. Những thách thực trong nhiệm vụ phức tạp này sẽ được các phương tiện tự hành, trang bị các thiết bị cần thiết giải quyết dễ dàng hơn.

Để thực hiện nhiệm vụ thăm dò và vẽ bản đồ các vùng nước, nhóm nhà nghiên cứu thuộc Viện Quang học, Công nghệ Hệ thống và Khai thác Hình ảnh Fraunhofer IOSB, Đức đã phát triển một xuồng máy không người lái, dễ vận hành, tự động khảo sát những vùng nước như sông, hồ và bến cảng trên và dưới bề mặt, tạo ra các bản đồ 3D tương ứng.

Bản đồ 3D vùng nước cung cấp những thông tin quan trọng như độ sâu của vùng nước, tình trạng của đất và bờ, cấu trúc lòng sông, mặt cắt dọc và ngang, chi tiết tình trạng bờ kè, những mảnh đất liền kề với vùng nước, công trình cảng và công trình cầu, tình trạng của vùng nước và dòng chảy, v.v. Những bản đồ này sẽ được các cơ quan có liên quan biên tập và cập nhật thường xuyên.

Lập bản đồ vùng nước đến đáy đòi hỏi chi phí rất cao do những cuộc điều tra thu thập thông tin thực hiện thủ công với sự trợ giúp của những chuyên gia lập bản đồ vùng nước và lòng sông, hồ. Phương thức lập bản đồ dưới nước và bề mặt bằng xuồng máy robot tự động hải hành sẽ giảm chi phí rất nhiều.

 Xuồng máy robot khảo sát vùng nước, vẽ bản đồ 3D

Các nhà nghiên cứu tại Fraunhofer IOSB ở Karlsruhe đã phát triển một hệ thống đo đạc và vẽ lại bản đồ vùng nước (sông hồ, vùng vịnh, bến cảng) như một phần của dự án TAPS (viết tắt tiếng Đức của "hệ thống điều hướng bán tự động cho sông hồ") trên nền tảng một phương tiện mặt nước không người lái thương mại (USV).

Được kết nối với một trạm nghiên cứu giám sát trung tâm hoặc trạm điều khiển trên đất liền, robot xuồng máy khảo sát lập bản đồ tất cả các loại vùng nước nội địa và môi trường xung quanh, khảo sát cả trên bề mặt và dưới mặt nước. Những ứng dụng vẽ bản đồ vùng nước ven biển cũng khả thi, do ở cấp độ hiện nay, hệ thống có thể đo đạc và lập bản đồ vùng nước độ sâu lên tới 100 mét.

Mô hình 3D có độ chính xác cao về phong cảnh trên mặt nước và địa hình dưới nước

Sử dụng hệ thống định vị vệ tinh GPS, cảm biến gia tốc và tốc độ góc, một cảm biến được gọi là nhật ký vận tốc doppler (DV) xuồng máy robot lần lượt cảm nhận được địa hình đáy vùng nước theo hướng di chuyển, nhờ đó có thể hải hành tự động mà không cần biết trước luồng lạch.

Dữ liệu từ các cảm biến khác nhau được đồng bộ hóa, nhất thể hóa để hướng dẫn hệ thống định vị bán tự động. Để lập bản đồ trên mặt nước, thiết bị sử dụng máy quét laser và máy ảnh, kết hợp với phần mềm lập bản đồ, được các kỹ sư phát triển tại Fraunhofer IOSB, cho phép nguồn dữ liệu từ các thiết bị tái tạo lại mô hình 3D độ chính xác cao của môi trường xung quanh. Phương thức lập bản đồ dưới nước được thực hiện với sự trợ giúp của sonar đa chùm, được tích hợp vào hệ thống cảm biến và tạo ra một mô hình 3D hoàn chỉnh của đáy vùng nước, có thể là lòng sông hoặc hồ, vịnh.

TS Janko Petereit, nhà khoa học và là nghiên cứu chính tại Fraunhofer IOSB giải thích: "Hệ thống điều hướng của chúng tôi bán tự động do người dùng chỉ cần chỉ định khu vực cần lập bản đồ. Quá trình khảo sát hoàn toàn tự động và đánh giá dữ liệu được thực hiện với một vài cú nhấp chuột. Chúng tôi đã phát triển những mô-đun phần mềm cần thiết cho việc lập bản đồ và di chuyển tự động".

Tái tạo 3 chiều của các cấu trúc ven bờ được thực hiện bằng phương pháp kết hợp các camera và máy quét laser, so sánh với một bức ảnh của cùng một phần công trình bờ biển được ghi lại từ xuồng tự hành. Anh: Fraunhofer IOSB

USV vượt các chướng ngại vật hoàn toàn tự động

Bước đầu tiên, người dùng sẽ chỉ định khu vực cần khảo sát. Phần mềm sử dụng thông tin này để tính toán tuyến đường. Sau đó chiếc USV, có kích thước 2 m x 1,5 m x 1 m, rất nhẹ khoảng 64 kg sẽ bắt đầu hành trình đo đạc.

Khi thực hiện nhiệm vụ, thiết bị tự động tránh những chướng ngại vật, phát hiện được nhờ máy quét laser và sonar. Trong suốt hành trình, một mô hình 3D nhanh chóng được tạo ra trong thời gian thực cho mục đích điều hướng, bao gồm cả các đối tượng di động như tàu thuyền. Mô hình 3D có độ chính xác cao thứ hai được phần mềm tính toán sau khi xử lý và phân tích dữ liệu, thu thập cả dưới vùng nước và quang cảnh tĩnh trên mặt nước, đồng thời loại bỏ các vật thể chuyển động.

Những thử nghiệm của xuồng máy khảo sát đã được thực hiện ra trên một số hồ khác nhau. Nguyên mẫu xuồng robot hoạt động đang được nhóm nghiên cứu Fraunhofer “Công nghệ Đại dương Thông minh” (Smart Ocean Technologies) ở Rostock trong những dự án khác tập trung vào chương trình phát triển robot dưới nước và bề mặt.

Phần mềm cho phép điều hướng tự động trên mặt nước

Có rất nhiều ứng dụng tiềm năng cho công nghệ đang phát triển. Ngoài nhiệm vụ trọng tâm khảo sát vẽ bản đồ tự trị các kênh vận tải đường thủy và những cấu trúc kỹ thuật dân dụng ngầm, thiết bị có thể được sử dụng cho những thiết bị tự hành khai mở những con đường giao thông thủy.

Người dùng, nếu chỉ đơn giản muốn điều hướng tự động trên các vùng nước, không cần lập bản đồ sông hồ, vịnh cũng có thể sử dụng một trong các phần mềm, được phát triển trong dự án.

Do tính mở và có nhiềm tiềm năng, Petereit tin rằng công nghệ tự hành sẽ có cơ hội được triển khai và ứng dụng hơn nữa trong tất cả các lĩnh vực vận tải hành khách và hàng hóa trên biển cả và trên vùng biển nội thủy. "Chúng ta sẽ thấy sự gia tăng lớn trong vận chuyển tự tự động hóa trên những tuyến đường thủy của Đức trong tương lai, đỉnh cao là những loại chuỗi hậu cần mới với sự kết hợp thông minh giữa vận tải đường sắt, đường bộ và đường thủy."

Ông Petereit chỉ rõ, ngoài các thuật toán tự động hóa cao, vận chuyển tự hành cũng đòi hỏi những bản đồ mặt nước có độ chính xác cao, hiện không phải lúc nào cũng có sẵn. Ông nói: "Cho đến thời điểm này, các cuộc khảo sát, đo đạc và vẽ bản đồ sông hồ thủ công chỉ được tiến hành một hoặc hai năm một lần, cung cấp kết quả kém chính xác hơn nhiều so với những mô hình 3D toàn diện của công trình nghiên cứu, tình trạng thực tế của các tuyến đường thủy không được nắm bắt tối ưu. Do đó, những cuộc khảo sát sông sẽ cần phải được tiến hành thường xuyên hơn trong tương lai và với mức độ chi tiết ngày càng cao hơn. Hệ thống điều hướng bán tự động của chúng tôi cung cấp một giải pháp thay thế hiệu quả cả về chi phí, chất lượng và độ tin cậy cho nhưng phương pháp khảo sát đang được sử dụng."