Onbemand varen bij stof, mist of rook | Maritiem Nederland
Techniek&Innovatie
De 3d-sonarsensoren van Jan Steckel bootsen de breedbandvleermuizen na die chirpsgeluiden maken.

Vleermuistechniek brengt autonome binnenvaart dichterbij


Onbemand varen bij stof, mist of rook



John Ekkelboom | dinsdag 16 februari 2021
Havens, Smart Maritime Technology

Om onbemand te kunnen varen, moet een schip zijn omgeving tot in detail kunnen waarnemen. En niet alleen wanneer het helder weer is maar ook bij slecht zicht door bijvoorbeeld stof, rook of mist. De Universiteit Antwerpen heeft 3d-sonarsensoren ontwikkeld waarmee dit mogelijk is. De techniek is gebaseerd op echolocatie van vleermuizen.

Evenals de Port of Rotterdam probeert de haven van Antwerpen een wereldspeler te zijn. Beide havens zetten dan ook volop in op digitale innovatie. Antwerpen wil met IoT – the Internet of Things – en aanverwante technologie haar bedrijven en werknemers naar de economie van de toekomst leiden. De eerste stappen daartoe zijn inmiddels gezet, zoals de toepassing van blockchain, het dataplatform NxtPort en sinds kort ook onbemand varen.

De aandacht bij autonoom varen is vooral gericht op de binnenvaart. Omdat de vraag naar transport op rivieren en kanalen groeit en het bemanningstekort steeds nijpender wordt, zou onbemand varen de concurrentie met de weg en het spoor kunnen versterken. Inmiddels zijn al praktijktesten gedaan met de Tuimelaar, een multifunctioneel inzetbaar vaartuig van de haven van Antwerpen.

Controle vanaf de wal

Zo heeft het havenbedrijf in 2018 in samenwerking met de startup Seafar, dat technologie ontwikkelt om op afstand binnenvaartschepen te besturen, proeven met onbemand varen met de Tuimelaar gedaan. Eerst werd het via afstandsbediening vanuit de wal aangestuurd en even later volgde het experiment om het schip autonoom te laten varen op het Albertkanaal. Voorzien van sensoren die een nauwkeurig beeld vormen van de omgeving, navigeerde het automatisch een gedetailleerde route op het Albertkanaal, rekening houdend met stroming en wind. Vanuit het Shore Control Center aan wal hield een kapitein – die zo nodig kon ingrijpen – het schip in de gaten.

Eind vorig jaar volgde een nieuw experiment waarbij de Tuimelaar was voorzien van zogenoemde 3d-sonarsensoren. Daarmee kreeg het schip extra ‘ogen’ – beter gezegd ‘oren’ – om ook in omstandigheden met slecht zicht te kunnen manoeuvreren in sluizen en havens.

Gepatenteerd

Deze sonarsensoren zijn ontwikkeld door de groep van Jan Steckel. Hij is onderzoeksprofessor bij het CoSys-Lab van de faculteit ingenieurswetenschappen aan de Universiteit Antwerpen en lid van Flanders Make, een strategisch onderzoekscentrum voor de maakindustrie. Zo’n vijftien jaar geleden begon hij met onderzoek naar deze specifieke sensoren die gebaseerd zijn op echolocatie bij vleermuizen. In 2012 promoveerde hij op de industriële toepassing ervan.

‘Met onze sensoren kijk je dwars door stof, modder, regen, rook en mist heen’

Steckel: “We hebben deze technologie toen gepatenteerd en zijn die vervolgens verder gaan ontwikkelen. Het zijn sensoren voor omgevingswaarnemingen in moeilijke condities. Denk aan stof, modder, regen, rook en mist. Met onze sensoren kijk je daar dwars doorheen. We zijn actief in de automotive, de tuin- en landbouwsector en op het gebied van de industriële automatisering en de medische hulpmiddelen, zoals rolstoelen. En nu zitten we dan ook in de maritieme sector.”

Breedbandgeluid

Omdat vleermuizen de grote inspiratiebron zijn voor de groep van Steckel, geeft hij graag uitleg over het bijzondere echolocatie-systeem van deze kleine zoogdiertjes. Die informatie komt zeker niet alleen uit de literatuur. Zelf doet hij veel experimenten in het laboratorium en het nodige veldwerk, vaak in samenwerking met onderzoeksgroepen elders in de wereld. Zo deed hij onderzoek in Panama, de Verenigde Staten en diverse landen van Europa.

Jan Steckel ontwikkelde de sonarsensor in samenwerking met Port of Antwerp. Links op de foto Svetlana Samsonova van het havenbedrijf (foto: Port of Antwerp). Tekst gaat verder onder de foto.

Volgens Steckel zijn er zo’n 1200 soorten vleermuizen die een grote diversiteit aan echolocatie met ultrasoon geluid hebben. Er zijn vleermuizen die via hun mond of neus smalbandgeluiden uitzenden maar bij de meeste gaat het om breedbandgeluid van 20 tot 100 kHz of 30 tot 90 kHz. De ondergrens van deze frequenties komt overeen met wat een kind nog net zou kunnen horen. Op latere leeftijd neemt de gevoeligheid voor deze hoge tonen af.

‘Door op de juiste manier geluidjes te produceren, lukt het vleermuizen perfect om objecten te detecteren’

Steckel imiteert door de telefoon de klikgeluiden en korte fluitgeluiden – hij noemt ze chirps – die vleermuizen van nature maken. “Dit doen ze om de Dopplerverschuiving teniet te doen. Als een vleermuis vliegt, dan bewegen uiteraard alle objecten in de omgeving ten opzichte van het beestje. Zo krijg je een Dopplerverschuiving in de echo’s. Door op de juiste manier geluidjes te produceren, lukt het perfect om objecten te detecteren. Hoewel vleermuizen evenals mensen goed kunnen zien, kunnen ze ’s nachts ook uitstekend waarnemen dankzij die echolocatie en hun goed ontwikkelde en complexe oren.”

32 waterdichte microfoons

De 3d-sonarsensoren van de Antwerpse hoogleraar – de afmeting ervan is 10 x 10 x 5 cm – bootsen de breedbandvleermuizen na die chirpsgeluiden maken. Breedband heeft een groot bereik en is nauwkeurig in het inschatten van afstanden en hoeken en de chirps hebben een hoge Doppler-tolerantie. In de sensoren produceren kleine luidsprekers dat geluid en 32 waterdichte microfoons daarin vangen de weerkaatsingen op. Zo is het mogelijk voorwerpen in richting en afstand te lokaliseren. Op de binnenkomende informatie wordt real time signaalverwerking toegepast, waarna er een akoestisch beeld van de omgeving ontstaat. Vandaar ook de naam van het project met de Tuimelaar: Real Time Imaging Sonar (eRTIS).

Tijdens de praktijktest werden op de voorsteven van het schip drie van dergelijke kunstmatige vleermuizen, met elk hun 32 oortjes, geplaatst. Hoe meer oortjes per sensor, hoe beter de beeldvorming, licht Steckel toe. “De weeromstandigheden waren goed en het sonarsysteem werkte zoals verwacht. In het laboratorium hebben we al eerder testen gedaan onder moeilijke condities met stof, mist en modder en daar `keken’ onze sensoren dwars doorheen.”

Complementaire technieken

Op de vraag of de sonarsensoren in de toekomst radar en lidar – lasersensoren – kunnen vervangen op onbemande schepen, geeft Steckel direct een ontkennend antwoord. Hij denkt meer aan een combinatie van de waarneem-technieken. Ze hebben immers allemaal hun voor- en nadelen en zijn vooral complementair aan elkaar. “Bij radar, die al veel op schepen wordt toegepast, gaat het om elektromagnetische golven met frequenties tot 100 GHz en zelfs daarboven. Vergelijk het met wifi. Deze techniek vergt complexe elektronica om aan te sturen, is veel ingewikkelder om mee te werken en is erg duur. Bovendien zie je de eerste meters er helemaal niets mee. Een laserscanner, die ook erg duur is, is superieur aan sonar als de omstandigheden optimaal zijn. Vergelijk het met een camera met 10 en een met 100 megapixels. Deze laatste zal uiteraard een mooier beeld geven.”

‘Onze 3d-sonarsensoren zijn relatief goedkoop, maar de waarneming is beperkt tot 10 à 15 meter’

 

“Maar heb je te maken met moeilijke omstandigheden zoals mist, stof of rook, dan scoren onze 3d-sonarsensoren hoog. Ze zijn ook relatief goedkoop. De beperking is echter dat een onbemand schip daarmee slechts tot een afstand van tien tot vijftien meter kan waarnemen. Daarom zijn ze vooral geschikt bij het passeren van sluizen en het aan- en afmeren in een haven. In al die gevallen moet je de voor- en zijkant van het schip goed kunnen monitoren.”

Aanmelden nieuwsbrief

Meld je nu aan voor de nieuwsbrief en blijf op de hoogte van het laatste nieuws van Maritiem Nederland.

Abonneer je nu!

Bestel nu GRATIS 2 proefnummers

Bent u nog niet bekend met Maritiem Nederland? Vraag dan hier uw proefabonnement aan!

Bestel nu GRATIS 2 proefnummers

Word ook abonnee!

Neem nu een abonnement en ontvang elke maand hèt vakblad voor de maritieme sector op de deurmat.

Sluit nu een abonnement af

Betabanen

Partners Maritiem Nederland