Präzision unter Wasser – als Schwarm messen und navigieren

ARIS ist ein Studierendenverein, in dem Studierende Technologien für den Weltraum und andere komplexe Umgebungen entwickeln. Systeme, die dort funktionieren müssen, wo klassische Technik an Grenzen stösst. SWARM überträgt diesen Anspruch unter Wasser: robuste, intelligente Robotersysteme für Forschungseinsätze in Schweizer Seen.

Einsatz für Umwelt und Forschung

In Zusammenarbeit mit der Eawag, dem Schweizer Wasserforschungsinstitut, wurde eine Mission entworfen: Mehrere autonome Unterwasserfahrzeuge tauchen gleichzeitig in einen See, in Tiefen zwischen 5 und 30 Metern, und nehmen dort Messdaten auf. Ziel ist es, die Wasserqualität dreidimensional zu kartieren. Unter anderem, um die Ausbreitung antibiotikaresistenter Bakterien besser zu verstehen.

Der Vorteil eines Schwarms liegt in der gleichzeitigen Abdeckung. Statt Messungen nacheinander an einzelnen Punkten aufzunehmen, entsteht eine dichte, synchrone Messfläche. So lassen sich Auffälligkeiten erkennen, Hotspots lokalisieren und mögliche Quellen der Verschmutzung eingrenzen.

Damit das funktioniert, muss jedes Fahrzeug jederzeit genau wissen, wie tief es ist.

Warum Tiefe die entscheidende Grösse ist

Unter Wasser gibt es kein GPS. Ein Unterwasserroboter kann seine Position nicht einfach an der Oberfläche abfragen. Stattdessen wird Druck zur wichtigsten Orientierungsgrösse.

Im SWARM-Projekt kamen Drucktransmitter vom Typ PAA-9LX, 4bar von KELLER Pressure zum Einsatz. Diese Sensoren sitzen im wasserdichten Rumpf der Fahrzeuge und messen den Umgebungsdruck. Aus diesem Druck wird in Echtzeit die aktuelle Tiefe berechnet.

Anschaulich gesagt: Der Roboter fühlt über den Druck, wie viel Wasser über ihm steht – und weiss dadurch sehr genau, ob er zum Beispiel auf 12,2 Metern oder auf 13,0 Metern Tiefe ist.

Die Tiefeninformation fliesst direkt in die autonome Steuerung ein. Die Fahrzeuge vergleichen laufend ihre Solltiefe mit der aktuellen Tiefe und korrigieren aktiv mit ihren Antrieben. Auf diese Weise können mehrere Fahrzeuge gleichzeitig in derselben Wasserschicht bleiben und vergleichbare Daten sammeln. Tiefe wird damit zur Grundlage für geordnete Schwarmbewegung.

Ohne stabile, präzise Druckmessung wäre diese Art koordinierter Mission nicht möglich.

Zusammenarbeit mit KELLER Pressure

KELLER Pressure hat SWARM nicht nur mit Hardware unterstützt, sondern als echter technischer Partner begleitet. Die Integration des Drucksensors, die saubere Signalführung und die Auswertung der Daten unter realen Bedingungen, im Pool und im See, wurden gemeinsam erarbeitet.

Das Ergebnis war bemerkbar:

- Die Fahrzeuge konnten kontrolliert abtauchen und ihre Tiefe halten, ohne manuelle Eingriffe.

- Die Tiefenmessung war stabil genug, um mehrere Roboter gleichzeitig in derselben Schicht fahren zu lassen.

- Die Zusammenarbeit war direkt, pragmatisch und schnell, was für ein Studierendenprojekt mit engem Zeitplan entscheidend ist. 

- Für ARIS, das jedes Jahr komplexe Technologieprojekte mit Studierendenteams umsetzt, ist genau diese Art von Partnerschaft zentral: Industrie, die nicht nur Teile liefert, sondern Wissen teilt.

Von SWARM zu POLARIS

Entwicklungsprojekte von Studierenden haben eine Laufzeit von einem Jahr. Auch wenn das Projekt SWARM 24/25 inzwischen abgeschlossen ist, geht die Idee weiter. Innerhalb von ARIS entsteht das Nachfolgeprojekt POLARIS. Dieses neue Fokusprojekt entwickelt ein autonomes System für Einsätze unter dem Eis eines alpinen Sees, wie etwa in St. Moritz.

Das Ziel: die Dicke der Eisschicht zu kartieren. Hochauflösender als bisher möglich, vollständig autonom und ohne dass Menschen gefährliche Bereiche betreten müssen. 

Die Tiefeninformation des Drucksensors spielt dabei eine zentrale Rolle. Sie ist nicht nur entscheidend für die Navigation in einer extremen Umgebung mit eingeschränkter Sicht und schwerem Zugang, sondern bildet auch die Grundlage für die Berechnung der Eisdicke. Diese ergibt sich aus der Differenz zwischen der absoluten Tiefe des Unterwasserroboters und dem Abstand zur Unterseite der Eisschicht.