BerandaComputers and TechnologySistem navigasi bawah air yang didukung oleh suara

Sistem navigasi bawah air yang didukung oleh suara

GPS tidak tahan air. Sistem navigasi bergantung pada gelombang radio, yang dengan cepat terurai dalam cairan, termasuk air laut. Untuk melacak objek bawah laut seperti drone atau paus, para peneliti mengandalkan sinyal akustik. Tetapi perangkat yang menghasilkan dan mengirim suara biasanya membutuhkan baterai – baterai besar dan berumur pendek yang perlu diganti secara teratur. Bisakah kita melakukannya tanpa mereka?

Peneliti MIT berpikir demikian. Mereka telah membangun sistem penunjuk tanpa baterai yang disebut Underwater Backscatter Localization (UBL). Daripada memancarkan sinyal akustiknya sendiri, UBL mencerminkan sinyal termodulasi dari lingkungannya. Itu memberi peneliti informasi pemosisian, pada energi nol-bersih. Meski teknologinya masih berkembang, UBL suatu saat bisa menjadi alat kunci bagi pelestari kelautan, ilmuwan iklim, dan Angkatan Laut AS.

Kemajuan ini dijelaskan dalam makalah yang dipresentasikan minggu ini di lokakarya Asosiasi Topik Hangat Mesin Komputasi di Jaringan, oleh anggota grup Kinetika Sinyal Lab Media. Ilmuwan Riset Reza Ghaffarivardavagh memimpin makalah ini, bersama dengan rekan penulis Sayed Saad Afzal, Osvy Rodriguez, dan Fadel Adib, yang memimpin grup dan merupakan Ketua Doherty dari Pemanfaatan Laut serta profesor di MIT Media Lab dan MIT Jurusan Teknik Elektro dan Ilmu Komputer.

“Haus kekuasaan”

Hampir mustahil untuk lepas dari genggaman GPS dalam kehidupan modern. Teknologi tersebut, yang mengandalkan sinyal radio yang dipancarkan satelit, digunakan dalam pengiriman, navigasi, iklan bertarget, dan banyak lagi. Sejak diperkenalkan pada tahun 1970-an dan 80-an, GPS telah mengubah dunia. Tapi itu tidak mengubah lautan. Jika Anda harus bersembunyi dari GPS, taruhan terbaik Anda adalah di bawah air.

Karena gelombang radio cepat rusak saat bergerak melalui air, komunikasi bawah laut sering kali bergantung pada sinyal akustik. Gelombang suara merambat lebih cepat dan lebih jauh di bawah air daripada melalui udara, menjadikannya cara yang efisien untuk mengirim data. Tapi ada kekurangannya.

“Suara itu haus kekuasaan,” kata Adib. Untuk perangkat pelacak yang menghasilkan sinyal akustik, “baterainya dapat habis dengan sangat cepat”. Hal ini membuat sulit untuk melacak objek atau hewan dengan tepat untuk jangka waktu yang lama – mengganti baterai bukanlah tugas yang mudah saat dipasang pada paus yang bermigrasi. Jadi, tim mencari cara bebas baterai untuk menggunakan suara.

Getaran yang bagus

Grup Adib beralih ke sumber daya unik yang mereka gunakan sebelumnya untuk sinyal akustik daya rendah: bahan piezoelektrik. Bahan-bahan ini menghasilkan muatan listriknya sendiri sebagai respons terhadap tekanan mekanis, seperti disetrum dengan gelombang suara yang bergetar. Sensor piezoelektrik kemudian dapat menggunakan muatan itu untuk secara selektif merefleksikan beberapa gelombang suara kembali ke lingkungannya. Penerima menerjemahkan urutan refleksi, yang disebut hamburan balik, menjadi pola 1s (untuk gelombang suara yang dipantulkan) dan 0s (untuk gelombang suara yang tidak dipantulkan). Kode biner yang dihasilkan dapat membawa informasi tentang suhu laut atau salinitas.

Pada prinsipnya, teknologi yang sama dapat memberikan informasi lokasi. Sebuah unit observasi dapat memancarkan gelombang suara, kemudian menghitung berapa lama gelombang suara tersebut dipantulkan dari sensor piezoelektrik dan kembali ke unit observasi. Waktu yang telah berlalu dapat digunakan untuk menghitung jarak antara pengamat dan sensor piezoelektrik. Namun dalam praktiknya, pengaturan waktu hamburan balik semacam itu rumit, karena laut bisa menjadi ruang gema.

Gelombang suara tidak hanya bergerak langsung antara unit observasi dan sensor. Mereka juga bergerak di antara permukaan dan dasar laut, kembali ke unit pada waktu yang berbeda. “Anda mulai mengalami semua refleksi ini,” kata Adib. “Itu membuatnya rumit untuk menghitung lokasi.” Penghitungan refleksi merupakan tantangan yang lebih besar di perairan dangkal – jarak pendek antara dasar laut dan permukaan berarti sinyal pantulan perancu lebih kuat.

Para peneliti mengatasi masalah refleksi dengan “frekuensi hopping”. Daripada mengirimkan sinyal akustik pada satu frekuensi, unit observasi mengirimkan urutan sinyal ke berbagai frekuensi. Setiap frekuensi memiliki panjang gelombang yang berbeda, sehingga gelombang suara yang dipantulkan kembali ke unit pengamatan pada fase yang berbeda. Dengan menggabungkan informasi tentang waktu dan fase, pengamat dapat menunjukkan jarak ke alat pelacak. Penghematan frekuensi berhasil dalam simulasi perairan dalam para peneliti, tetapi mereka membutuhkan perlindungan tambahan untuk memotong suara gema air dangkal.

Di mana gema merajalela antara permukaan dan dasar laut, para peneliti harus memperlambat aliran informasi. Mereka mengurangi bitrate, pada dasarnya menunggu lebih lama di antara setiap sinyal yang dikirim oleh unit observasi. Itu memungkinkan gema setiap bit mereda sebelum berpotensi mengganggu bit berikutnya. Sedangkan bitrate 2.000 bit / detik cukup untuk simulasi perairan dalam, para peneliti harus menurunkannya ke 100 bit / detik di air dangkal untuk mendapatkan pantulan sinyal yang jelas dari pelacak. Tetapi bitrate lambat tidak menyelesaikan segalanya.

Untuk melacak objek bergerak, para peneliti sebenarnya harus meningkatkan bitrate. Seribu bit / detik terlalu lambat untuk menentukan objek simulasi yang bergerak melalui air dalam dengan kecepatan 30 sentimeter / detik. “Pada saat Anda mendapatkan informasi yang cukup untuk melokalkan objek, itu sudah berpindah dari posisinya,” jelas Afzal. Dengan kecepatan 10.000 bit / detik, mereka dapat melacak objek melalui air dalam.

Eksplorasi yang efisien

Tim Adib sedang bekerja untuk meningkatkan teknologi UBL, antara lain dengan menyelesaikan tantangan seperti konflik antara bitrate rendah yang dibutuhkan di perairan dangkal dan bitrate tinggi yang diperlukan untuk melacak pergerakan. Mereka sedang mengatasi masalah melalui tes di Sungai Charles. “Kami melakukan sebagian besar eksperimen musim dingin lalu,” kata Rodriguez. Itu termasuk beberapa hari dengan es di sungai. “Itu tidak terlalu menyenangkan.”

Selain kondisi, pengujian memberikan bukti konsep dalam lingkungan perairan dangkal yang menantang. UBL memperkirakan jarak antara transmitter dan node backscatter pada berbagai jarak hingga hampir setengah meter. Tim ini bekerja untuk meningkatkan jangkauan UBL di lapangan, dan mereka berharap dapat menguji sistem tersebut dengan kolaboratornya di Lembaga Oseanografi Lubang Kayu di Cape Cod.

Mereka berharap UBL dapat membantu mendorong ledakan eksplorasi lautan. Ghaffarivardavagh mencatat bahwa para ilmuwan memiliki peta permukaan bulan yang lebih baik daripada dasar laut. “Mengapa kita tidak bisa mengirimkan kendaraan bawah air tak berawak untuk misi menjelajahi lautan? Jawabannya: Kami akan kehilangan mereka, ”katanya.

UBL suatu hari nanti dapat membantu kendaraan otonom tetap ditemukan di bawah air, tanpa menghabiskan daya baterai yang berharga. Teknologi tersebut juga dapat membantu robot bawah laut bekerja lebih tepat, dan memberikan informasi tentang dampak perubahan iklim di lautan. “Ada banyak sekali aplikasinya,” kata Adib. “Kami berharap untuk memahami lautan dalam skala besar. Itu adalah visi jangka panjang, tapi itulah yang sedang kami upayakan dan yang membuat kami bersemangat. ”

Pekerjaan ini didukung, sebagian, oleh Kantor Riset Angkatan Laut.

Read More

RELATED ARTICLES

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Most Popular

Recent Comments