An Adaptive Fixed-Time Line-of-Sight Guidance Scheme for 3D Path Following of Underwater Vehicles: Theory and Experiment

في أعماق الأمواج، حيث يتلاشى ضوء الشمس وتتحول تيارات المحيط بشكل غير متوقع، تُكلف المركبات ذاتية القيادة تحت الماء ببعض من أكثر مهام البشرية أهمية. تقوم هذه المستكشفات الآلية برسم خرائط لقاع البحر، وفحص البنية التحتية تحت الماء، ومراقبة صحة النظم البيئية البحرية. ولكي تنجح هذه الآلات، يجب أن تكون قادرة على الحفاظ على مسار ثابت واتباع مسار دقيق، حتى عندما يتم دفعها بعيدًا عن مسارها بفعل الدفع المستمر للمياه. يكمن التحدي في طبيعة المحيط نفسه؛ فخلافًا لروبوت يتحرك على طريق مسطح، تتعرض المركبة المائية باستمرار لاضطرابات متغيرة بمرور الوقت يمكن أن تحيد بها عن مسارها المقصود. غالبًا ما تعتمد أنظمة الملاحة التقليدية على طريقة تصحح هذه الأخطاء ببطء بمرور الوقت، وهي عملية قد تكون بطيئة جدًا للمهام التي تتطلب استعادة سريعة أو مناورة دقيقة في المساحات الضيقة. إذا استغرقت المركبة وقتًا طويلاً للعودة إلى المسار، فإنها تخاطر بفقدان هدفها، أو إهدار الطاقة، أو الاصطدام بالعوائق.

ولحل هذه المشكلة، طور باحثون في جامعة بوردو نظام توجيه جديدًا مصممًا لسحب المركبة المائية عائدة إلى مسارها بسرعة ويقين، بغض النظر عن مكان بدايتها أو قوة التيار. هذا النهج الجديد، الذي تم اختباره على روبوت حقيقي في بحيرة، يضمن عودة المركبة إلى مسارها المنشود خلال وقت محدد وقابل للتنبؤ به. ومن خلال الجمع بين مفهوم رياضي يُعرف باسم "الاستقرار في وقت ثابت" وطريقة ذكية لتقدير كيفية دفع المياه للمركبة، يتيح النظام للروبوت التكيف فورًا مع الظروف المتغيرة. والنتيجة هي طريقة ملاحة لا تتبع المسارات بدقة أكبر من المعايير الحالية فحسب، بل تستعيد المسار من الاضطرابات بشكل أسرع بكثير، مما يوفر قفزة نوعية في موثوقية الاستكشاف الذاتي تحت الماء.

يعالج جوهر هذا الابتكار قيدًا أساسيًا في كيفية توجيه المركبات المائية لعقود من الزمن. تستخدم معظم الأنظمة الحالية استراتيجية تسمى "توجيه خط النظر"، والتي تعمل من خلال توجيه المركبة باستمرار نحو نقطة مستقبلية في مسارها. ورغم فعاليتها، تعتمد هذه الأنظمة التقليدية على "التقارب التقاربي"، وهو مصطلح تقني يعني أن المركبة تقترب أكثر فأكثر من المسار الصحيح ولكنها نظريًا لا تصل إليه تمامًا في لحظة محددة وقابلة للتنبؤ. في البيئة الهادئة، يكون هذا الاقتراب البطيء كافيًا في كثير من الأحيان. ومع ذلك، في البيئة البحرية الديناميكية وغير المستقرة، حيث يمكن للتيارات أن تغير اتجاهها وقوتها فجأة، يصبح الانتظار لتصحيح بطيء بمثابة عبء ومخاطرة. أدرك الباحثون أنه لكي تعمل هذه المركبات بأمان وكفاءة، فإنهم بحاجة إلى نظام يمكنه ضمان العودة إلى المسار الصحيح خلال وقت محدد، بغض النظر عن مدى ابتعاد المركبة عن مسارها.

ولتحقيق ذلك، صمم الفريق إطار توجيه جديد يتضمن نظرية "الاستقرار في وقت ثابت". وببساطة، يضمن هذا النهج الرياضي أن أخطاء المركبة — أي مدى ابتعادها عن المسار المطلوب — تتقلص إلى الصفر خلال حد زمني محدد مسبقًا. وهذا الحد الزمني ثابت؛ فهو لا يعتمد على حجم الخطأ الأولي. سواء كانت المركبة بعيدة قليًا عن المسار أو دفعتها تيارات قوية بعيدًا، فإن النظام يعد بإعادتها في نفس النافذة الزمنية المتوقعة. وهذا تمييز حاسم للعمليات ذاتية القيادة، حيث يسمح لمخططي المهام بمعرفة المدة التي ستستغرقها عملية الاستعادة بالضبط، وهو يقين لم يكن متاحًا مع طرق التوجيه القياسية.

كما عالج الباحثون مشكلة "الانزلاق الجانبي"، وهي ظاهرة حيث تُدفع المركبة جانبًا بواسطة الماء، مما يجعلها تتحرك بزاوية بالنسبة للاتجاه الذي تشير إليه. غالبًا ما يكون هذا الانحراف ناتجًا عن تيارات المحيط ويصعب قياسه مباشرة لأن المستشعرات الموجودة في العديد من المركبات المائية التجارية ليست دائمًا متاحة أو موثوقة. وللتغلب على ذلك، ابتكر الفريق "مُقدِّرًا تكيُّفيًا"، وهو خوارزمية ذكية تراقب حركة المركبة وتحسب بسرعة مقدار دفع الماء لها. يعمل هذا المُقدِّر بالتوازي مع التوجيه في وقت ثابت، مما يسمح للنظام بالتعويض عن الانحراف بشكل فوري تقريبًا. ومن خلال تحديث فهمها للبيئة باستمرار، يمكن للمركبة تعديل اتجاهها وعمقها لمواجهة التيار، والحفاظ على مسار مستقيم وحقيقي حتى في المياه المضطربة.

لاختبار هذه الأفكار، أجرى الباحثون أولاً عمليات محاكاة حاسوبية مكثفة باستخدام نموذج لـ REMUS-100، وهو نوع شائع من الروبوتات المائية. في هذه الاختبارات الافتراضية، أخضعوا المركبة لتيارات ثابتة وأمواج متغيرة وغير متوقعة. كانت النتائج مذهلة؛ فعند مقارنتها بأفضل طرق التوجيه التكيفية الموجودة، قلل نظام "الوقت الثابت" الجديد متوسط خطأ تتبع المسار بنسبة تقرب من 70 بالمائة أثناء المناورات المنحنية. تمكنت المركبة من اتباع مسارات معقدة ومتعرجة بدقة أكبر بكثير، واستعادت مسارها من الاضطرابات بشكل أسرع بكثير. كما أظهرت عمليات المحاكاة أن النظام يمكنه تقدير الانزلاق الجانبي للمركبة بدقة أعلى بكثير، مما قلل الخطأ في هذه التقديرات بنسبة تزيد عن 30 بالمائة.

ومع ذلك، فإن محاكاة الكمبيوتر ليست سوى اختبار للنظرية. ولإثبات أن النظام يعمل في العالم الحقيقي، نقل الفريق خوارزميته إلى الميدان، حيث ثبتها على مركبة Iver 3، وهي مركبة ذاتية القيادة تشبه الطوربيد وتستخدم في الأبحوث العلمية. أُجريت التجارب في بحيرة في إنديانا، حيث كُلفت المركبة باتباع سلسلة من النقاط الملاحية تحت الماء. وضع الباحثون سيناريوهين مختلفين للاختبار: أحدهما مع اضطرابات بيئية متوسطة، بما في ذلك الرياح والأمواج التي جعلت سطح الماء مضطربًا، والآخر في ظروف هادئة جدًا. وفي كلتا الحالتين، كان على المركبة الغوص، والتحرك تحت الماء، ثم الصعود للسطح للحصول على إشارة GPS لتحديث الموقع، وهي عملية تؤدي إلى حدوث قفزات مفاجئة في البيانات التي يتلقاها الحاسوب.

خلال التجارب الميدانية، أظهر نظام التوجيه الجديد تفوقه في التعامل مع "فوضى" المحيط الواقعية. ففي اختبار الاضطرابات المتوسطة، بقيت المركبة التي تستخدم الطريقة الجديدة أقرب بكثير إلى مسارها المقصود مقارنة بالمركبة التي تستخدم النظام التقليدي. انخفض متوسط خطأ التتبع بأكثر من النصف في المسارات المستقيمة وبنحو 28 بالمائة في المسارات المنحنية. عانى النظام التقليدي من أجل مواكبة الأمر، حيث أظهر غالبًا انحرافًا متذبذبًا بطيئًا استغرق وقتًا طويلاً لتصحيحه. في المقابل، استجاب النظام الجديد للاضطرابات بسرعة، مما أعاد المركبة إلى المسار بحركة حاسمة وسلسة. وحتى عندما صعدت المركبة إلى السطح وتسببت إشارة GPS في حدوث قفزة مفاجئة في بيانات الموقع، تكيف النظام الجديد دون فقدان استقراره، بينما ارتبك النظام القديم وغالبًا ما انحرف بعيدًا عن المسار.

استكشف الباحثون أيضًا نسخة من نظامهم تقوم بتعديل مسافة "النظر للأمام" بناءً على مدى بعد المركبة عن المسار. تخيل سائقًا ينظر إلى مسافة أبعد في الطريق عندما يسير في خط مستقيم، ولكنه يركز على المنعطف القريب عند الدوران؛ هذا النظام يفعل شيئًا مشابهًا. فعندما كانت المركبة بعيدة عن المسار، كانت تنظر إلى نقطة أقرب إلى موقعها الحالي لإجراء تصحيح حاد وقوي. وعندما اقتربت من المسار، كانت تنظر إلى مسافة أبعد لتنعيم الاقتراب ومنع تجاوز المسار. وفر هذا النهج متغير الوقت أفضل توازن، حيث قدم سرعة نظام "الوقت الثابت" مع الحفاظ على رحلة سلسة ومريحة تقلل من الحركات المفاجئة غير الضرورية.

إن تداعيات هذا العمل تمتد إلى ما هو أبعد من مجرد أرقام أفضل في الجداول البيانية. بالنسبة لمشغلي هذه الروبوتات المائية، فإن القدرة على ضمان العودة إلى المسار ضمن إطار زمني معروف تغير كيفية تخطيط المهام. هذا يعني أنه في المواقف الحرجة للسلامة، مثل فحص خط أنابيب تالف تحت الماء أو التنقل بالقرب من بدن سفينة، يمكن الوثوق بالمركبة للتعافي من دفعة مفاجئة من تيار مائي دون الانحراف نحو الخطر. يحقق النظام ذلك دون الحاجة إلى تعديل المحركات الداخلية للمركبة أو عناصر التحكم منخفضة المستوى، وهو ميزة كبيرة. فالعديد من المركبات المائية التجارية تأتي بأنظمة تحكم داخلية مغلقة من قبل الشركة المصنعة، مما يجعل من المستحيل على الباحثين تعديل البرمجيات منخفضة المستوى. تقع طبقة التوجيه الجديدة هذه فوق النظام الحالي، حيث تعمل كـ "ملاح ذكي" يخبر المركبة أين تذهب، بينما يتولى "عقل" المركبة المدمج كيفية الوصول إلى هناك.

بينما تقدم الطريقة الجديدة فوائد واضحة من حيث السرعة والدقة، يقر الباحثون بأن هذا الأداء يأتي مع مقايضة. فالتصحيحات القوية المطلوبة لتحقيق مثل هذا التقارب السريع تعني أن أسطح التحكم في المركبة، مثل الدفات والمصاعد، يجب أن تتحرك بشكل متكرر وبقوة أكبر. هذا النشاط المتزايد قد يؤدي إلى استهلاك أعلى للطاقة، وهو عامل حاسم للمركبات التي يجب أن تعمل لفترات طويلة باستخدام طاقة البطارية. ويقترح الفريق أن العمل المستقبلي سيركز على موازنة هذه المقايضة، رب الله تطوير استراتيجيات تستخدم التصحيحات الأكثر قوة فقط عند الضرورة القصوى.

يمثل نجاح هذه الاختبارات الميدانية خطوة كبيرة للأمام في موثوقية الملاحة الذاتية تحت الماء. فمن خلال إثبات أن توجيه "الوقت الثابت" يمكن أن يعمل على مركبة حقيقية في بحيرة حقيقية، أظهر الباحثون أنه من الممكن تجاوز التصحيحات البطيئة وغير المؤكدة التي كانت سائدة في الماضي. يوفر النظام حلاً عمليًا لتحقيق ملاحة موثوقة في البيئات البحرية المعقدة، مما يضمن أن هؤلاء المستكشفين الآليين يمكنهم إكمال مهامهم بمستوى من الدقة والاعتمادية كان بعيد المنال سابقًا. وبينما تصبح المحيطات أكثر أهمية لإدارة الموارد، وأبحاث المناخ، والأمن القومي، فإن امتلاك مركبات يمكنها الملاحة بمثل هذا اليقين سيكون أمرًا ضروريًا لفك أسرار ما يخفيه ما تحت الأمواج.