Die Erfindung betrifft ein Unterwasserarbeitssystem mit mindestens einem autonomen Unterwasserfahrzeug und einem unbemannten, an der Wasseroberfläche schwimmenden, Relaisfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines Unterwasserwasserarbeitssystems, wobei mindestens ein autonomes Unterwasserfahrzeug intern mit einem unbemannten, an der Wasseroberfläche schwimmenden und angetriebenen Relaisfahrzeug kommuniziert und das Relaisfahrzeug über eine Funkantenne extern kommuniziert.

Unbemannte Unterwasserfahrzeuge eröffnen eine Vielzahl von Möglichkeiten für Unterwasserarbeiten und können im Vergleich zu bemannten Unterwasserfahrzeugen größere Arbeitstiefen erreichen und in Umgebungen arbeiten, die zu gefährlich für bemannte Systeme oder Taucher sind. Autonome Unterwasserfahrzeuge (AUV = "Autonomous Underwater Vehicle") umfassen eine eigene Stromversorgung und erfordern keine Kommunikation mit einer menschlichen Bedienperson während einer Mission. Sie folgen vielmehr einem vorgegebenen Missionsprogramm. Nach Durchführung des Missionsprogramms taucht das autonome Unterwasserfahrzeug ebenfalls selbständig auf und wird geborgen, beispielsweise von einem Mutterschiff.

Das autonome Unterwasserfahrzeug ist üblicherweise mit geeigneten Sensoren ausgestattet, beispielsweise Sonarsensoren. Im Unterschied zu ferngelenkten Unterwasserfahrzeugen (ROV = "Remotely Operated Vehicle"), die sich insbesondere für Missionen mit örtlich begrenzten Untersuchungen, beispielsweise an konkreten Gegenständen unter Wasser, unter Echtzeitbedingungen eignen, sind autonome Unterwasserfahrzeuge in der Regel von einem Heckpropeller angetrieben und eignen sich insbesondere für großräumige oder großflächige Aufklärung unter Wasser. Beispielsweise werden autonome Unterwasserfahrzeuge vorteilhaft zur Kabel- und Pipeline-Inspektion oder auch zur Minensuche eingesetzt.

Es ist bekannt, während der Mission eines autonomen unbemannten Unterwasserfahrzeugs die Messergebnisse während der Mission des autonomen Unterwasserfahrzeugs aufzuzeichnen und gegebenenfalls kabellos zum Mutterschiff zu übermitteln. Die Übermittlung von Information während der Mission vom getauchten Unterwasserfahrzeug ist jedoch begrenzt und nur bei geringen Entfernungen des autonomen Unterwasserfahrzeugs zum Mutterschiff möglich.

Um die Reichweite der Datenübertragung zum Mutterschiff zu erhöhen, ist für ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge (ROV) aus der JP 62008895 A ein Unterwasserarbeitssystem bekannt, bei dem eine Versorgungs- und Steuerleitung eines unbemannten ferngelenkten Unterwasserfahrzeugs (ROV) mit einer an der Wasseroberfläche schwimmenden Funkboje verbunden ist. Die Funkboje ist mit einer Funkantenne sowie einer Empfangs- und Sendeeinheit ausgestattet. Über die Funkverbindung der Funkboje und die Versorgungsleitung zwischen der Funkboje und dem Unterwasserfahrzeug ist das Unterwasserfahrzeug von dem Mutterschiff fernsteuerbar.

Durch die Vermittlung der Verbindung zwischen Mutterschiff und dem ferngelenkten Unterwasserfahrzeug über die Funkboje kann das ferngelenkte Unterwasserfahrzeug in seinem örtlich begrenzten Arbeitsraum in größerer Entfernung vom Mutterschiff arbeiten, als bei einer direkten Verbindung vom Unterwasserfahrzeug zum Mutterschiff möglich wäre.

WO 91/13800 offenbart ein System für Unterwassererkundungen mit autonomen Unterwasserfahrzeugen, welche baugleich ausgebildet sind und jeweils einen Verbrennungsmotor und einen elektrischen Motor sowie eine Batterie aufweisen. Eines der Unterwasserfahrzeuge befindet sich an der Wasseroberfläche, wobei der Verbrennungsmotor die Batterie auflädt. Während dieser Phase ist das an der Oberfläche befindliche Unterwasserfahrzeug in Funkverbindung mit einem Mutterschiff. Das andere Unterwasserfahrzeug arbeitet unter Wasser und wird über seinen elektrischen Motor angetrieben. Die beiden Unterwasserfahrzeuge kommunizieren kabellos über eine akustische oder optische Verbindung. Sobald die Batterie des aktiven, abgetauchten Unterwasserfahrzeugs erschöpft ist, tauschen die Unterwasserfahrzeuge ihre Plätze. Über die kabellose Verbindung werden Bilder vom aktiven Unterwasserfahrzeug zum Mutterschiff übertragen, nämlich zunächst über die kabellose Verbindung zum aufgetauchten Unterwasserfahrzeug und anschließend über die Funkverbindung des aufgetauchten Unterwasserfahrzeugs.

Das bekannte Unterwasserarbeitssystem ist zur örtlichen Untersuchung der Unterwasserwelt vorgesehen, beispielsweise zur Erkundung eines Wracks. Für eine großflächige Aufklärung unter Wasser, beispielsweise zur Aufklärung eines Unterwassergebiets im Rahmen der Mienenbekämpfung oder zur Inspektion langer Pipelines, ist das stationär arbeitende bekannte Unterwasserarbeitssystem ungeeignet.

Die WO 2012/037174 A2 offenbart eine Boje und ein System zur Überwachung von Tauchern und anderen Unterwasserobjekten. Dabei kann die Boje einen Taucher überwachen und Positionsinformationen über den Taucher erhalten und diese Informationen verwenden, um sich entsprechend der weiteren Überwachung zu positionieren.

Die Boje kann sich zur Kommunikation mit dem Taucher einer akustischen Kommunikationseinrichtung bedienen, und die Taucherposition, biometrische und andere Daten ermitteln.

In einer Ausführungsform umfasst die Boje ein Antriebssystem und über ein akustisches Kommunikationsmodul kann der Taucher die Boje zu einem Wirkbereich steuern.

Die lediglich akustische Kommunikation ist zwingend vorgegeben, da eine etwaige physische Verbindung beispielsweise mittels eines Seils oder Schlauchs aus Gefährdungsgründen nicht zulässig ist. Andererseits ist eine Datenübermittlungsrate durch die akustische Kommunikation beschränkt, sodass eine Echtzeitfähigkeit nicht gewährleistet werden kann.

Die JP S57 196309 A offenbart ein indirektes Kontrollsystem für ein Unterwasserfahrzeug zur Überwachung und Behandlung von explosiven Stoffen, bei dem ein Mutterüberwasserschiff zunächst die Position einer explosiven Substanz im Meer detektiert und anschließend ein zweites Überwasserboot zu dieser Position leitet. Mittels einer Winde am Heck des Überwasserbootes wird ein ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug (ROV) an einem Kabel auf eine vorgegebene Tiefe in der Nähe zur explosiven Substanz ins Meer abgelassen. Kontrollsignale werden vom Mutterüberwasserschiff drahtlos per Funk zum Überwasserboot und vom Überwasserboot über das Kabel zum ferngesteuerten Unterwasserfahrzeug übertragen.

Die US 5,396,859 A offenbart ein Unterwassersystem zur Verbindung von Glasfaserkabeln, bei welchem ein U-Boot am Heck über ein erstes Glasfaserkabel mit dem Heck eines ferngesteuerten Unterwasserfahrzeuges verbunden ist. Ein zweites Glasfaserkabel ist zwischen einer Ankerboje und einem Torpedo im Wasser verbunden. Gesteuert vom U-Boot kann sich das Unterwasserfahrzeug derart an die Ankerboje annähern, dass die beiden Glasfaserkabel zum Starten des Torpedos verbunden werden.

Die DE 10 2004 062 124 B3 offenbart eine Einrichtung zum Tracken eines Unterwasserfahrzeuges mittels einer getauchten Plattform unter Verwendung eines akustischen Positionierungssystems. Ergänzend zur Trackeinrichtung können Lenksignale von der Plattform über einen Lenkdraht an die Antriebs- und Steuereinrichtung des Unterwasserfahrzeugs übertragen werden.

Die WO 03/045776 A1 offenbart ein ferngesteuertes Minenjagdsystem, welches aus einem Unterwasserfahrzeug mit einer über die Wasseroberfläche ausfahrbaren Antenne und einem ferngesteuerten Unterwasserfahrzeug (ROV) besteht, welche von einer externen Kontrollstation auf einem Überwasserschiff per Funkt gesteuert werden, wobei das ferngesteuerte Unterwasserfahrzeug (ROV) über ein Antriebs- und Fernüberwachungskabel mit dem Unterwasserfahrzeug verbunden ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Unterwasserarbeitssystem mit mindestens einem autonomen unbemannten Unterwasserfahrzeug und einem unbemannten, an der Wasseroberfläche schwimmenden Relaisfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Unterwasserarbeitssystems zu schaffen, welche eine erhöhte Leistungsfähigkeit des bei der großräumigen Unterwasseraufklärung mit kurzen Missionszeiten und eine echtzeitfähige Datenübertragung bereitstellen.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Unterwasserarbeitssystem mit mindestens einem autonomen unbemannten Unterwasserfahrzeug und einem unbemannten, an der Wasseroberfläche schwimmenden Relaisfahrzeug, welches eine Funkantenne zur externen Kommunikation und einen Antrieb aufweist, wobei das autonome unbemannte Unterwasserfahrzeug physikalisch über eine Koppelverbindung mit dem Relaisfahrzeug verbunden ist, wobei die Koppelverbindung eine interne Kommunikationseinrichtung umfasst oder die Koppelverbindung ein Bestandteil der Kommunikationseinrichtung ist, und das Relaisfahrzeug, das autonome Unterwasserfahrzeug und/oder die Koppelverbindung derart ausgestaltet sind, dass das Relaisfahrzeug mittels einer Steuereinheit, insbesondere unter Berücksichtigung von Navigationsinformationen, über das autonome Unterwasserfahrzeug führbar ist.

Somit können bidirektional zwischen dem Relaisfahrzeug und dem Unterwasserfahrzeug Daten mit höheren Datenraten als bei einer akustischen Datenübermittlung übertragen werden. Somit kann eine akustikfreie Kommunikation oder Datenübertragung bereitgestellt werden.

Insbesondere kann auf plötzlich auftretende Ereignisse durch beispielsweise vor dem Unterwasserfahrzeug auftretendes natürliches (z.B. Fische) oder technisches Objekt (U-Boot) schnell reagiert werden.

Auch kann über die Koppelverbindung eine Energieversorgung des Unterwasserfahrzeugs erfolgen.

Die "Koppelverbindung" verbindet physikalisch das Unterwasserfahrzeug mit dem Relaisfahrzeug. Diese Koppelverbindung kann durch einen Schlauch oder auch ein Kabel erfolgen. Physikalisch ist insbesondere als Gegensatz zu Funk oder Schall zu verstehen.

Weiterhin kann auf das Unterwasserfahrzeug jederzeit physikalisch zugegriffen werden, sodass bei "Verlust" des Unterwasserfahrzeugs aufwändige Suchmanöver des Relaisfahrzeugs unterbleiben können.

Erfindungsgemäß wird das an der Wasseroberfläche schwimmende unbemannte Relaisfahrzeug von einer Steuereinheit unter Berücksichtigung von Navigationsinformation über das mindestens eine autonome unbemannte Unterwasserfahrzeug geführt, wodurch das autonome unbemannte Unterwasserfahrzeug mit quasi unbeschränkter Reichweite unter Wasser operieren kann.

Die Steuereinheit kann einen Kurs für das Relaisfahrzeug ermitteln und kann dessen Antrieb entsprechend ansteuern, so dass die Fahrzeuge des Unterwasserarbeitssystems stets in einer gewünschten Position relativ zueinander stehen. Das Relaisfahrzeug und das mindestens eine zugeordnete Unterwasserfahrzeug bilden somit insbesondere ein autonomes Unterwasserarbeitssystem, welche als autonome Gruppe navigiert werden. Dabei werden insbesondere vom unbemannten Unterwasserfahrzeug die während der Mission durch die Sensoren des autonomen Unterwasserfahrzeugs erfassten Missionsinformationen in Echtzeit zum Relaisfahrzeug vermittelt.

Unter Navigationsinformation des autonomen Unterwasserfahrzeugs ist dabei Information über das Fahrtverhalten und die Position des autonomen unbemannten Unterwasserfahrzeugs zu verstehen, beispielsweise die Absolutgeschwindigkeit, die Geschwindigkeit über Grund, die Ausrichtung des Unterwasserfahrzeugs, die Tauchtiefe und die Entfernung vom Relaisfahrzeug und/oder auch Sonarinformationen.

In vielen Missionssituationen reicht für eine zuverlässige Führung des Relaisfahrzeugs diejenige Navigationsinformation aus, welche durch Navigationssensoren des abgetauchten autonomen Unterwasserfahrzeugs erfasst werden und der Steuereinheit zugeführt werden. Zusätzliche Navigationsinformation über das Relaisfahrzeug und auch das autonome Unterwasserfahrzeug kann durch Sensoren an Bord des Relaisfahrzeugs erfasst und für die Navigation herangezogen werden.

Vorteilhaft ist die Steuereinheit, welche das Relaisfahrzeug führt, an Bord des Relaisfahrzeugs angeordnet, wobei die im abgetauchten Unterwasserfahrzeug erfasste Navigationsinformation über die interne Kommunikationseinrichtung zum Relaisfahrzeug vermittelt wird.

Es ist jedoch auch eine Führung des Relaisfahrzeugs durch eine an Bord des autonomen Unterwasserfahrzeugs angeordnete Steuereinrichtung möglich, wobei Steuerbefehle für den Antrieb des Relaisfahrzeugs über die interne Kommunikationseinrichtung geleitet werden. Die Anordnung der Steuereinheit, welche das Relaisfahrzeug steuert, an Bord des Relaisfahrzeugs, hat den Vorteil, dass an Bord des schwimmfähigen Relaisfahrzeugs grundsätzlich mehr Bauraum für eine leistungsfähige Steuereinheit zur Verfügung steht. Ferner wird durch die Anordnung von Energie verbrauchenden Systemen, welche Information von und für das autonome Unterwasserfahrzeug verarbeiten, an Bord des Relaisfahrzeugs der Energiebedarf des Unterwasserfahrzeugs reduziert.

Umfasst das Unterwasserarbeitssystem mehrere autonome Unterwasserfahrzeuge, welche einem gemeinsamen Relaisfahrzeug zugeordnet sind und jeweils über eine interne Kommunikationseinrichtung mit dem Relaisfahrzeug verbunden sind, so ermittelt die Steuereinheit unter Berücksichtigung der Navigationsinformation aller beteiligten Unterwasserfahrzeuge einen Kurs für das Relaisfahrzeug, bei dem eine optimale Positionierung des Relaisfahrzeugs relativ zu den angeschlossenen Unterwasserfahrzeugen gegeben ist.

In einer Ausführungsform ist die Kommunikationseinrichtung derart ausgestaltet, dass diese echtzeitfähig ist. Echtzeitfähigkeit ist insbesondere dann gegeben, wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Übertragung größer ist als bei einer akustischen Kommunikation. Insbesondere Ausbreitungsgeschwindigkeiten oberhalb von 2000m pro Sekunde sind mit umfasst. Insbesondere ist dann Echtzeitfähigkeit gewährleistet, wenn Sonarinformationen unterhalb der Wiederholraten des Sonars an das Relaisfahrzeug übermittelbar sind.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind eine Steuereinheit des Relaisfahrzeugs und eine Steuereinheit des autonomen Unterwasserfahrzeugs derart ausgebildet, dass über die interne Kommunikationseinrichtung Navigationsinformation in Richtung des Relaisfahrzeugs und in der anderen Richtung Steuerbefehle für das Unterwasserfahrzeug austauschbar ist. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Unterwasserarbeitssystem neben der Übertragung von Missionsinformation in Echtzeit von einer menschlichen Bedienperson bedarfsweise direkt gesteuert werden, wenn dies gewünscht wird.

Das Unterwasserarbeitssystem mit der Möglichkeit der ständigen Informationsübertragung in beiden Richtungen zwischen dem Unterwasserfahrzeug und einer Trägerplattform ermöglicht eine Überwachung des autonom operierenden Unterwasserarbeitssystems, wobei jederzeit ein Steuereingriff durch die Bedienperson erfolgen kann ("supervised autonomous system"). Das überwachte autonome Unterwasserarbeitssystem reduziert die Missionszeit und steigert die Effektivität der Mission indem eine Bedienperson erkennen kann, wenn das Unterwasserfahrzeug einer falschen Spur gefolgt sein sollte. In diesem Fall wird durch einen steuernden Eingriff in das autonome Missionsprogramm der Verlust von Missionszeit verhindert, was bei einem Weiterverfolgen nicht Zielführender und auf einem Irrtum beruhender Untersuchungen die Folge wäre.

Über die interne Kommunikationseinrichtung werden vorteilhaft dem Unterwasserfahrzeug Informationen über seine augenblickliche Position zugeleitet. Eine verlässliche Information über die Position steht dabei im Relaisfahrzeug zur Verfügung, welches genaue Positionsdaten über seine Funkantenne beziehen kann, beispielsweise per GPS. Dabei kann dem autonomen Unterwasserfahrzeug diese per GPS ermittelte Position des Relaisfahrzeugs mitgeteilt werden, so dass das Unterwasserfahrzeug mit der Kenntnis der Position des Relaisfahrzeugs navigiert. Darüber hinaus kann eine Verarbeitung der GPS-Daten an Bord des Relaisfahrzeugs erfolgen und dem Unterwasserfahrzeug unter Berücksichtigung der im Relaisfahrzeug zur Verfügung stehenden Navigationsinformation des Unterwasserfahrzeugs dessen genaue Position mitgeteilt werden.

Vorteilhaft umfasst die interne Kommunikationseinrichtung ein Lichtwellenleiterkabel, welches das Relaisfahrzeug mit dem Unterwasserfahrzeug verbindet. Über das Lichtwellenleiterkabel ist eine leistungsfähige Datenübertragung möglich. Die Steuereinheit des Relaisfahrzeugs führt das Relaisfahrzeug unter Berücksichtigung von Navigationsinformation des autonomen Unterwasserfahrzeugs derart, dass eine Zugbelastung auf das Lichtwellenleiterkabel vermieden wird. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die Steuereinheit, welche das Relaisfahrzeug führt, auf Informationen über die Zugbelastung im Lichtwellenleiterkabel zurückgreifen kann und bei zu hoher Zugbelastung das Relaisfahrzeug entsprechend steuert. Zu diesem Zweck kann dem Lichtwellenleiterkabel eine Einrichtung zur Messung der Zugbelastung zugeordnet sein.

In vorteilhafter Ausführungsform der Erfindung wird das Relaisfahrzeug dem Unterwasserfahrzeug nachgeführt, wodurch die Zugbelastung des Lichtwellenleiterkabels reduziert oder ausgeschlossen wird. Dabei wird beispielsweise das Relaisfahrzeug mit dem gleichen Kurs gesteuert wie das Unterwasserfahrzeug, dessen Kurs sich aus der übertragenen Navigationsinformation ergibt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Relaisfahrzeug Mittel zur Bestimmung der Entfernung des Unterwasserfahrzeugs vom Relaisfahrzeug auf. Das Relaisfahrzeug wird dabei auf der Grundlage der Navigationsinformation des Unterwasserfahrzeugs, welche während der Mission vom Unterwasserfahrzeug geliefert werden kann, und der aktuellen Entfernung geführt.

Dabei kann mit den Navigationsinformation des Unterwasserfahrzeugs und der Kenntnis der Entfernung die tatsächliche Position des Unterwasserfahrzeugs eindeutig bestimmt und der Kurs des Relaisfahrzeugs optimal abgestimmt werden, beispielsweise das Relaisfahrzeug dem Unterwasserfahrzeug auf gleichem Kurs nachgeführt werden. Vorteilhaft wird die Entfernung zwischen dem Unterwasserfahrzeug und dem Relaisfahrzeug mittels eines akustischen Sendekopfes ("pinger") erfasst. Hierzu weist das Unterwasserfahrzeug und/oder das Relaisfahrzeug einen akustischen Sendekopf auf.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Navigation des Unterwasserfahrzeugs von der Steuereinheit des Relaisfahrzeugs unterstützt oder übernommen, wodurch die erforderliche Rechenkapazität der Steuereinheit an Bord des Unterwasserfahrzeugs und damit der Strombedarf des Unterwasserfahrzeugs reduziert sind.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Relaisfahrzeug ein mit seiner Steuereinheit verbundenes Sonar auf, das heißt zur Ortung von Gegenständen im Raum und unter Wasser mithilfe ausgesandter Schallimpulse geeignete Einrichtungen. Dabei ist die Steuereinheit derart ausgebildet, dass bei Feststellen von Hindernissen durch das Sonar Ausweichmanöver steuerbar sind.

Die Steuereinheit des Relaisfahrzeugs erkennt dabei über das Sonar Hindernisse im Kurs des Relaisfahrzeugs und leitet Ausweichmanöver, beispielsweise durch ein seitliches Passieren des Hindernisses, ein. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das Relaisfahrzeug tauchfähig ausgebildet, wodurch das Relaisfahrzeug bedarfsweise einem sehr breiten Gegenstand, wie beispielsweise einem treibenden Netz, durch Abtauchen und Unterfahren des Hindernisses ausweicht.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Relaisfahrzeug eine Datenverarbeitungseinrichtung, welcher Information vom Unterwasserfahrzeug eingebbar ist. Dabei erfolgt an Bord des Relaisfahrzeugs vor der Vermittlung der Information zur Trägerplattform eine Vorverarbeitung. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Relaisfahrzeug eine Kodiereinrichtung, mittels welcher die über die Funkantenne zu sendende bzw. empfangene Information kodierbar oder dekodierbar ist. Die Information, welche das Unterwasserfahrzeug intern zu dem Relaisfahrzeug überträgt, wird dabei vor der externen Kommunikation nach vorgegebenen Datenverarbeitungskriterien vorverarbeitet.

Dabei kann beispielsweise aus den vorhandenen Daten eine Auswahl der über die Funkstrecke zu sendenden Information erfolgen oder eine Komprimierung. Auch wird die Information durch eine Kodierung auf der Funkstrecke geschützt.

Besonders vorteilhaft wird solche Information, welche für die Überwachung des Unterwasserarbeitssystems bzw. der Mission des autonomen Unterwasserfahrzeugs durch eine Bedienperson nicht erforderlich oder erwünscht ist, an Bord des Relaisfahrzeugs gespeichert. Diese Information kann nach Abschluss der Mission und Bergung des Unterwasserfahrzeugs ausgelesen werden und wird in einer vorteilhaften Ausführungsform während der Mission für einen bedarfsweisen Abruf per Funk bereitgehalten.

Weiterhin kann die Aufgabe gelöst werden durch ein Verfahren zum Betrieb eines Unterwasserarbeitssystems, wobei mindestens ein autonomes, unbemanntes Unterwasserfahrzeug intern mit einem unbemannten, an der Wasseroberfläche schwimmenden und angetriebenen Relaisfahrzeug kommuniziert, wobei das Relaisfahrzeug über eine Funkantenne extern kommuniziert, wobei eine Steuereinheit das Relaisfahrzeug unter Berücksichtigung von Navigationsinformation über das mindestens eine autonome unbemannte Unterwasserfahrzeug führt.

In einer diesbezüglichen Ausführungsform führt die Steuereinheit das Relaisfahrzeug dem Unterwasserfahrzeug nach.

Zudem kann das Relaisfahrzeug auf der Grundlage der Navigationsinformation des Unterwasserfahrzeugs und der aktuellen Entfernung zwischen dem Unterwasserfahrzeug und dem Relaisfahrzeug geführt werden, wobei die Entfernung insbesondere mittels eines akustischen Sendekopfs am Unterwasserfahrzeug und/oder am Relaisfahrzeug erfasst wird.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Navigation des Unterwasserfahrzeugs von einer Steuereinheit des Relaisfahrzeugs unterstützt oder übernommen.

Um die Kommunikation zu effektivieren, kann die vom Unterwasserfahrzeug zum Relaisfahrzeug intern übertragene Information nach vorgegebenen Kriterien vorverarbeitet wird, insbesondere zum Teil gespeichert und zum Teil gesendet werden.

In einer weiteren Ausgestaltungsform erkennt die Steuereinheit (16) des Relaisfahrzeugs (4) über ein Sonar (19) Hindernisse (20) im Kurs des Relaisfahrzeugs (4) und leitet ein Ausweichmanöver durch seitliches Passieren des Hindernisses (20) und/oder Abtauchen und Unterfahren des Hindernisses (20) ein.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den Ausführungsbeispielen, welche nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert sind. Es zeigen:

Fig. 1

ein Unterwasserarbeitssystem mit einem autonomen Unterwasserfahrzeug und einem unbemannten Relaisfahrzeug,

Fig. 2

ein Schaubild zur Kommunikation zwischen dem Relaisfahrzeug und dem unbemannten Unterwasserfahrzeug gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt ein Unterwasserarbeitssystem 1 mit einem autonomen unbemannten Unterwasserfahrzeug 2 und einem unbemannten, an der Wasseroberfläche 3 schwimmenden Relaisfahrzeug 4. Das Relaisfahrzeug 4 weist eine Funkantenne 5 auf, über die das Relaisfahrzeug 4 mit einer Trägerplattform kommuniziert. Die Trägerplattform ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Seeschiff 6, welches zur Kommunikation mit dem Unterwasserarbeitssystem 1 gleichfalls eine Funkantenne 7 trägt. Anstelle eins bemannten Seeschiffes 6 kann auch ein Leitstand an Land oder eine andere bemannte Trägerplattform vorgesehen sein, von der aus menschliches Bedienpersonal per Funkverbindung auch aus größerem Abstand zum Relaisfahrzeug 4 mit dem Unterwasserarbeitssystem 1 kommunizieren kann. Das autonome unbemannte Unterwasserfahrzeug 2 ist über eine interne Kommunikationseinrichtung mit dem Relaisfahrzeug 4 verbunden, wobei sich der Begriff "intern" auf die Kommunikation innerhalb des Unterwasserarbeitssystems 1 bezieht. Die Kommunikationseinrichtung umfasst sowohl am Relaisfahrzeug 4 als auch am Unterwasserfahrzeug 2 jeweils eine Einrichtung zum Senden und Empfangen von Daten sowie im Ausführungsbeispiel ein Lichtwellenleiterkabel 8. Das Lichtwellenleiterkabel 8 verbindet das Relaisfahrzeug 4 mit dem Unterwasserfahrzeug 2 bzw. verbindet die in den jeweiligen Fahrzeugen angeordneten Einrichtungen zum Senden und Empfangen von Information.

Das Relaisfahrzeug 4 vermittelt eine Kommunikation zwischen dem Seeschiff und dem abgetauchten Unterwasserfahrzeug 2 während der Mission. Dabei wird über das Lichtwellenleiterkabel 8 und die Funkverbindung des Relaisfahrzeugs 4 zum Mutterschiff 6 in Echtzeit während der Mission Missionsinformation 9 von dem autonom operierenden Unterwasserfahrzeugs 2 übertragen. Das Unterwasserfahrzeug 2 ist mit einer Kamera 10 und anderen Sensoren zur Erfassung seiner Umwelt, im Ausführungsbeispiel ein Sonar 11, ausgestattet, deren laufend erfasste Daten als Teil der Missionsinformation 9 über das Lichtwellenleiterkabel 8 zum Relaisfahrzeug 4 übertragen werden. Das Unterwasserfahrzeug 2 umfasst ferner Navigationssensoren 12, welche einer Steuereinheit 13 des Unterwasserfahrzeugs 2 eingegeben werden und der autonomen Navigation des Unterwasserfahrzeugs 2 zugrunde gelegt werden.

Das autonome unbemannte Unterwasserfahrzeug 2 folgt einem vorgegebenen Missionsprogramm und kann unter der Führung durch seine Steuereinheit 13 unabhängig im Unterwasserraum operieren. Über die Funkantenne 5 des Relaisfahrzeugs 4 kann jedoch eine Bedienperson des Unterwasserarbeitssystems 1 Steuerinformation 14 zuführen, welche vom Relaisfahrzeug 4 über das Lichtwellenleiterkabel 8 an das Unterwasserfahrzeug 2 weitergeleitet wird. Das Unterwasserarbeitssysteml kann somit autonom arbeiten, ist dabei jedoch ständig durch die externe Kommunikation mit dem Seeschiff 6 überwachbar. Dabei kann eine Bedienperson des Unterwasserarbeitssystems jederzeit die Steuerung des unbemannten Unterwasserfahrzeugs übernehmen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn sich bei der Überwachung des Unterwasserarbeitssystems 1 herausstellt, dass das Unterwasserfahrzeug 2 auf der Grundlage des vorgegebenen autonomen Missionsprogramms einem Irrtum unterlag, beispielsweise ein Unterwasserobjekt irrtümlich erkannt bzw. identifiziert hat.

Die Steuerinformation 14 für das Unterwasserfahrzeug 2 umfasst jedoch nicht nur vom menschlichen Bediener angewiesene Steuerbefehle, sondern auch andere Information, welche auf dem Relaisfahrzeug 4 für eine Verwendung auf dem autonomen Unterwasserfahrzeug aufbereitet wird, insbesondere Information für die Navigation. Beispielsweise ist eine regelmäßige Übermittlung einer Positionsinformation vorteilhaft, welche an Bord des Relaisfahrzeugs 4 zur Verfügung steht und beispielsweise sehr genau per GPS über die Funkantenne 5 ermittelbar ist.

Das Relaisfahrzeug 4 ist als Überwasserschiff ausgebildet, um ständig Funkkontakt mit der Trägerplattform aufrechtzuerhalten und weist einen Antrieb 15 auf. Das Relaisfahrzeug 4 umfasst ferner eine Steuereinheit 16, welche das Relaisfahrzeug 4 führt und dem Antrieb 15 entsprechend dem vorgesehenen Kurs und Geschwindigkeit ansteuert. Bei der Führung des Relaisfahrzeugs 4 berücksichtigt die Steuereinheit 16 Navigationsinformation über das autonome Unterwasserfahrzeug 2, welche über das Lichtwellenleiterkabel 8 in Richtung der Missionsinformation 9 zum Relaisfahrzeug 4 übertragen wird. Zusätzlich zu der an Bord des Unterwasserfahrzeugs 2 durch die Navigationssensoren 12 ermittelten Navigationsinformation kann zusätzliche Information über das Unterwasserfahrzeug 2 durch Sensoren an Bord des Relaisfahrzeugs 4 ermittelt werden. Hierzu sind in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel Ortungsmittel an Bord des Relaisfahrzeugs 4 vorgesehen.

Zur Ermittlung einer Entfernung zwischen dem Relaisfahrzeug 4 und dem Unterwasserfahrzeug 2 ist an einem der beiden Fahrzeuge ein akustischer Sendekopf 18, ein sogenannter "pinger", angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der akustische Sendekopf 18 an dem unbemannten Unterwasserfahrzeug 2 angeordnet, so dass die Entfernungsbestimmung und die dazu erforderlichen Rechenoperationen an Bord des Relaisfahrzeugs 4 erfolgen können. An Bord des Unterwasserfahrzeugs 2 muss daher keine zusätzliche Energie für die Entfernungsbestimmung zur Verfügung gestellt werden, welche an Bord des autonomen Unterwasserfahrzeugs grundsätzlich begrenzt ist. Das Relaisfahrzeug 4 weist ferner ein Sonar 19 in seinem Bugbereich auf, mit dem im Wasser treibende Hindernisse 20 rechtzeitig erkannt werden können. Wird bei der Auswertung der Signale des Sonars 19 ein Hindernis im Kurs des Relaisfahrzeugs 4 detektiert, so leitet die Steuereinheit 16 ein entsprechendes Ausweichmanöver durch seitliches Passieren ein oder veranlasst das Relaisfahrzeug 4 zu einem Abtauchen und Unterfahren des Hindernisses 20. Hierzu ist das Relaisfahrzeug 4 im gezeigten Ausführungsbeispiel für kurzzeitige Tauchmanöver ausgestaltet.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Relaisfahrzeug 4 ein Unterwasserfahrzeug, welches als Relaisfahrzeug 4 an der Wasseroberfläche 3 verwendet wird. Durch Unterfahren des Hindernisses 20 kann verhindert werden, dass breite, unter Wasser treibende Hindernisse wie Netze und dergleichen das empfindliche Lichtwellenleiterkabel 8 zerstören. Nach dem Unterfahren des Hindernisses 20 taucht das Relaisfahrzeug 4 unmittelbar wieder auf und nimmt die Funkverbindung zum Seeschiff 6 wieder auf.

Die Steuereinheit 16 bestimmt den Kurs des Relaisfahrzeugs 4 nach Auswertung der Navigationsinformation des unbemannten Unterwasserfahrzeugs derart, dass die Entfernung zwischen den beiden Fahrzeugen vorgegebene Grenzwerte nicht überschreitet. Die Steuereinheit 16 bestimmt dabei den Kurs des Relaisfahrzeugs 4 derart, dass das Relaisfahrzeug 4 dem Unterwasserfahrzeug 2 nachgeführt wird. Wird bei der Bestimmung der Entfernung zwischen dem Relaisfahrzeug 4 und dem Unterwasserfahrzeug 2 ein zu großer Abstand festgestellt, so ermittelt die Steuereinheit einen neuen Kurs, mit dem das Relaisfahrzeug 4 dem Unterwasserfahrzeug 2 nachgeführt wird. Das Unterwasserfahrzeug 2 kann somit autonom operieren, während das Relaisfahrzeug 4 an der Wasseroberfläche 3 nachgeführt wird und stets die externe Kommunikation des Unterwasserarbeitssystems 1 mit dem Seeschiff 6 aufrechterhält.

Die interne Kommunikation zwischen der Steuereinheit 16 des Relaisfahrzeugs 4 und der Steuereinheit 13 des autonomen unbemannten Unterwasserfahrzeugs 2 ist nachstehend einschließlich der externen Kommunikation über das Relaisfahrzeug 4 anhand von Fig. 2 näher erläutert. Über die interne Kommunikationseinrichtung 21, welche das Lichtwellenleiterkabel 8 gemäß Fig. 1 umfasst, wird von der Steuereinheit 13 des Unterwasserfahrzeugs 2 Missionsinformation 9 übertragen, welche während der Mission von der Kamera 10 und anderen Sensoren zur Erfassung der Umwelt aufgenommen wird. Mit der in Echtzeit übertragenen Missionsinformation 9 überträgt die Steuereinheit 13 Navigationsinformation 17 über das autonome Unterwasserfahrzeug 2 zur Steuereinheit 16 des Relaisfahrzeugs 4. Die Navigationsinformation 17 kann dabei sowohl Rohdaten der Navigationssensoren 12 des Unterwasserfahrzeugs 2 umfassen als auch bereits aufbereitete Navigationsinformation, welche die Steuereinheit 13 des Unterwasserfahrzeugs 2 für ihre eigene autonome Navigation während der Mission aus den Rohdaten der Navigationssensoren 12 zur Verfügung hat. Je nach Konfiguration des Unterwasserarbeitssystems 1 kann die zum Relaisfahrzeug übertragene Navigationsinformation 17 auch eine Kombination aus Rohdaten und aus den Rohdaten bereits im Unterwasserfahrzeug bestimmter Navigationsinformation sein. Besonders vorteilhaft wird die Steuereinheit 13 des Unterwasserfahrzeugs 2 mit der Steuereinheit 16 des Relaisfahrzeugs 4 derart verknüpft, dass die Navigation des Unterwasserfahrzeugs 2 von der Steuereinheit 16 des Relaisfahrzeugs 4 unterstützt oder übernommen wird. Dabei wird die Navigationsinformation bzw. die von den Navigationssensoren erfassten Messwerte vom Unterwasserfahrzeug 2 direkt zur Steuereinheit 16 des Relaisfahrzeugs 4 übertragen. Die Steuereinheit 16 des Relaisfahrzeugs 4 leitet nach Auswertung der eingegangenen Navigationsinformation 17 der Steuereinheit 13 des Unterwasserfahrzeugs entsprechende Steuerinformation 14 zu.

Im Fall, dass die Bedienperson an Bord des Seeschiffs 6 die Steuerung übernimmt oder andere Befehle an das Unterwasserfahrzeug 2 weiterleiten will, empfängt das Relaisfahrzeug 4 über die Funkverbindung entsprechende Befehle und leitet eine entsprechende Steuerinformation 14 an die Steuereinheit 13 des Unterwasserfahrzeugs 2 weiter.

Die Steuereinheit 16 bestimmt aus einer Auswertung des Pingersignals des akustischen Sendekopfes 18 (Fig. 1) des Unterwasserfahrzeugs 2 die Entfernung des Unterwasserfahrzeugs 2 vom Relaisfahrzeug 4. Mit Kenntnis der genauen Entfernung ergibt sich die genaue Position des Unterwasserfahrzeugs 2 relativ zum Relaisfahrzeug 4. Die Steuereinheit 16 des Relaisfahrzeugs 4 empfängt ferner über die Funkantenne 5 GPS-Positionssignale 22, so dass die Steuereinheit 16 die tatsächliche Position des Relaisfahrzeugs 4 präzise bestimmen kann. Durch Verknüpfung der tatsächlichen Position des Relaisfahrzeugs mit der relativen Position des Unterwasserfahrzeugs wird die tatsächliche Position des Unterwasserfahrzeugs ermittelt, welche dem Unterwasserfahrzeug als Bestandteil der Steuerinformation 14 zur Verfügung gestellt wird. Damit kann die autonome Navigation des Unterwasserfahrzeugs beim Ablauf des Missionsprogramms auf die genaue Position des Unterwasserfahrzeugs zurückgreifen, welche das autonome Unterwasserfahrzeug während seiner Mission unter Wasser nicht zuverlässig bestimmen kann.

Erkennt die Steuereinheit 16 des Relaisfahrzeugs eine zu große Entfernung zwischen dem Relaisfahrzeug 4 und dem Unterwasserfahrzeug 2, so wird eine Kurskorrektur vorgenommen, um das Relaisfahrzeug 4 dem Unterwasserfahrzeug 2 nachzuführen. Die Steuereinheit 16 ermittelt entsprechende Steuerbefehle 23 für den Antrieb 15 des Relaisfahrzeugs 4. Bei der Navigation des Relaisfahrzeugs 4 berücksichtigt die Steuereinheit 16 die eingehenden Messwerte des Sonars 19 des Relaisfahrzeugs 4, wobei gegebenenfalls Ausweichmanöver bei voraus liegenden Hindernissen 20 gesteuert werden. Zur Verbesserung der Genauigkeit der Navigation sind in dem Relaisfahrzeug 4 weitere Navigationssensoren 24 angeordnet, welche der Steuereinheit 16 bei der Führung des Relaisfahrzeugs 4 weitere Information bereit stellen. Der Steuereinheit 16 des Relaisfahrzeugs 4 ist eine Datenverarbeitungseinrichtung 25 zugeordnet, in der die zur externen Kommunikation 26 vorgesehene Information vorverarbeitet wird. Dabei kann eine Auswahl der zur externen Kommunikation 26 gewünschten Information erfolgen, beispielsweise ausschließlich Missionsinformation 9 in Echtzeit übertragen werden. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann darüber hinaus zur Speicherung von Information genutzt werden, so dass entsprechende Einrichtungen an Bord des Unterwasserfahrzeugs 2 nicht erforderlich sind bzw. die Stromversorgung des Unterwasserfahrzeugs 2 entlastet ist.

Die externe Kommunikation 26 erfolgt im gezeigten Ausführungsbeispiel über eine Kodiereinrichtung 27, welche die zur externen Kommunikation 26 vorgesehene Information kodiert bzw. die über die Antenne empfangene Information dekodiert und der Steuereinheit 6 zur Verfügung stellt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass bei der externen Kommunikation 26 des Unterwasserarbeitssystems über die Funkantenne 5 verschlüsselte Information übertragen wird.