DeepBlue is an underwater laser scanning camera for short distance scanning of surfaces

Проект DeepBlue
Мотивация
През изминалия век има изградени хиляди инфраструктурни подводни съоръжения и много
важни за обществото технически обекти (Започвайки с първия кабел между Европа и Америка
и продължавайки с подводните тръбопроводи за нефт и газ). Настоящата подводна
инфраструктура е важна и дори критична за много области на човешкия живот, особено за
малки острови в близост до границата на континенталната част, както в Норвегия, Гърция и
много други архипелази. Континента трябва да осигурява в много случаи ресурси на тези
острови чрез подводна инфраструктура - електричество, комуникационни канали и др. От
друга страна има много случаи на подводни тръбопроводи за транспортиране на нефт и газ,
използвани по целия свят. Друга голяма инфраструктура е свързана с пристанищни
конструкции и морски газови и петролни платформи. Повечето от тези конструкции са
предварително изградени над водата и по-късно се поставят под вода, за което са решени
редица инженерни предизвикателства. За съжаление проблемът с ремонта и поддръжката на
тези конструкции е доста труден. Дори като се вземат предвид планираните опции за
обслужване в много случаи трябва да се използват водолази, подводници, кесони и др. Дори и
за най-често срещаната подшодна конструкция – корабите, поддръжката и ремонта се
извършват в сух док - друга скъпа услуга.
Поради това разбиране и отчитайки огромния растеж на роботизираните разработки, решихме
да стартираме проект за проектиране, производство и интегриране на сензор, който може да
опрости и намали цената на много от операциите в посочените по-горе случаи. Сензорът е
предназначен да се използва за детайлна проверка на повърхности от късо разстояние 200 мм
до 1000 мм под вода. Инспекцията се извършва с помощта на лазерен лъч със зелена или синя
светлина, така че подводното проникване да е максимално. Първата версия на сензора -
DeepBlue 1 се планира да работи на дълбочина до 100 м, монтирана върху дрон или подводен
робот. Сензорът може да сканира всяка повърхност, която отразява светлината на лазерния
лъч и да предостави прецизен профил (0,5 мм до 0,05 мм в зависимост от обхвата на видимост
на сензора). Този вид фино сканиране е интересно за откриване в началото на потенциални
пукнатини и повреди и предприемане на ранни коригиращи мерки и действия за
предотвратяване на по-големи повреди.
Сканираният профил се анализира за дефекти и при необходимост се активират аларми, така
че операторът, разположен на сервизна лодка, да може да вземе решение за последващи
действия. Заснетите профили на пошърхности се записват и могат да бъдат анализирани от
висококвалифициран персонал лаборатории на сушата. При получаване на аварийни
съобщения могат да се вземат спешни мерки за евакуация или спиране на експлоатацията или
други специални мерки за предотвратяване на по-големи щети.
DeepBlue 1 може да бъде използван и за определяне размера на дефекти, които не се
забелязват с традиционната за подводна работа ултразвукова техника.
Тъй като DeepBlue 1 произлиза концептуално от известните лазерни сканиращи камери за
въздушна сред, той унаследява и способността да управлява „робот“ (дрон или друг подводен
робот) проследявайки шев между две части (например заваръчен шев). С робот, способен да
извършва подводно заваряване, DeepBlue 1 може да предостави данни за корекция на пътя,
което е много важно за подводни заварки тъй като възможностите за позициониране и

фиксиране под вода са ограничени. След заваряване е възможно да се провери качеството на
заваръчните шевове.
Принцип на работа
Както бе споменато по-горе, DeepBlue 1 работи нз триангулационен принципна отражението
на лазерния лъч от изследваната повърхност. За да се запази правилно оптично поведение на
камерата се използва добре известният принцип Scheimpflug (известен от много системи за
лазерно сканиране извън вода). В случай на подводна експлоатация има няколко инженерни
усложнения поради различно оптично поведение на водата и въздуха. Те изискват специален
дизайн на подводното устройство, за да се намалят изкривяванията и да се поддържат
правилни резултати.
Важни R&D задачи за решаване
- Под водата лазерният лъч се излъчва през защитно стъкло от въздушна във водна фаза.
Задната проекция се случва отново от водата през стъклото и обратно във въздуха.
Съществуващата в световен мащаб камера във въздуха не страда от тази физика. Специален
дизайн на оптичната система и подходяща корекция на получените изкривявания.
- Трябва да се обърне специално внимание за устойчивост на високо налягане 10 атм.
влажност и корозия.
- Трябва да се подбере дължина на вълната на лазерния източник съобразена с максимално
проникване във водна сред.(областта на синята или зелената светлина)
Предимства и приложения на системата DeepBlue
- Откриване с висока точност на дефекти в подводни обекти
o корабни дъна без използване на сух док
o дефекти на кавитация или други проблеми на корабните витла.
 Тъй като цената на нов винт на голям кораб е висока и поддръжката на
витлото е около 5% от цената на витлото (например 500 000 $)
Поддръжката или подмяната трябва да се извършва само при нужда.
Подводната оценка на качеството на повърхността на витлото може да
спести значителни ресурси на корабособственика.
 При оборудване на подводен дрон с шлифовъчен, полиращ инструмент
и система DeepBlue може да се постигне контролирано полиране на
витлото дори в подводни условия което би било изключително
поевтиняване на тази сервизна процедура.
o Проверка на дефекти на подводни конструкции.
 Морски платформи, пристанищни подводни конструкции, друго
оборудване, работещо под нивото на водата. Това сканиране може да
се окаже критично за ранно откриване на дефекти и избягване на по
сериозни аварии.
o Проверка и ремонт на качеството на тръбопроводите
 Тръбопроводи и други инфраструктурни тръби се произвеждат на
сегменти. Сегментите се заваряват или запечатават по друг начин,

преди да се поставят под вода. Веднъж инсталирани под вода,
ремонтът и поддръжка на инфраструктурата може да се извършва само
под вода с помощта на водолази или скъпи подводници. С DeepBlue,
монтиран на дрон с подходящо оборудване е възможна проверка на
качеството, оценка на дефекти и евентуален ремонт на съоръженията.
- Контрол и корекция на траекторията в близост до повърхности за сканиране и
подводна проверка.
o Корекция на пътя / дрона под вода.
o Управление на позицията на заваряващ подводен робот Path Correction (seam
tracking)
o Намиране на стартова позиция за сканиране (seam finding)
o Управление на параметрите на заварката – количество материал, ток,
обдухване и т.н. (adaptive welding).
o Инспекция на заварки под вода.
- сканиране на археологически артефакти с висока разделителна способност при нежни
условия, за да се запазят остарелите материали (напр. Дърво), непокътнати преди
физическото извличане на парчетата за въздушно изследване и квалификация.

DeepBlue project
Forword
There are thousands of underwater installations infrastructures and very important objects
build during the last century (Starting with the first cable between Europe and America).
Current underwater infrastructure is important and even critical for many areas of human
life especially for small islands near to the border of the mainland like in Norway, Greece and
many other archipelagos. The main land must provide in many cases resources trough
underwater infrastructure – electricity, communication channels etc. On the other site there
are many cases of underwater pipelines for oil and gas transportation used worldwide.
Another big infrastructure is related to port constructions and offshore gas and oil
platforms. Most of these constructions are prebuild in the air and later put underwater by
solving some or more engineering challenges. Unfortunately, the problem with repair and
maintenance of these constructions is quite difficult. Even taking into account the planned
service options in many cases divers, submarine engines, caissons etc. high-risk expensive
resources has to be used. Even for the most general cases of water borne constructions –
ships the examination maintenance and repair are done in dry dock – another expensive
service.
Due to this understanding and taking into account the massive growth in robotic
development we decided to start a project for designing, manufacturing and integrating a
sensor which can simplify and reduce the cost of many of the operations in the missioned
above use cases. The sensor is intended to be used for detailed inspection of surfaces from
short distance 200mm to 1000 mm underwater. The inspection is done using a laser beam
with green and blue light so the underwater penetration is maximal. The first version of the
sensor – DeepBlue 1 is planned to operate in up to 100m depth mounted on a drone or
underwater robot. The sensor can scan any surface which reflects the light of the laser beam
and provide precise profile (0.5mm to 0.05mm depending on the viewing range). This kind of
fine scanning is interesting to find in the early beginning potential cracks and failures and
take early corrective measures and actions to prevent bigger failures.
The scanned profile is analyzed for defects and alarms are raised so that the operator
located on a service boat can decide subsequent actions. The profiles are recorded and can
be analyzed by high qualified personnel offline in the labs on the land. Emergency
statements can be issued in place and evacuation or stop of operation or other special
measures can be taken to prevent damages.
It is possible the use the same DeepBlue 1 equipment in case of determining the size of
defects which are not possible with the traditional for underwater ultrasonic technique.
As DeepBlue 1 is coming as concept from the known air born laser scanning camera it
inherits as well the capability to drive the “robot” (drone, or other underwater capable
robot) along to a seam between two parts (e.g. welding seam). With a robot capable to do
underwater welding DeepBlue 1 can provide path correction data which is very important
for underwater parts needed to be weld. A subsequent inspection of the quality of the welds
is as well possible.

Principle of operation
As mentioned above the operation of DeepBlue 1 is done by triangulation of the reflection
of the laser beam from the examined surface. To follow proper optical behaviour the well-
known Scheimplug principle is used (known by many extra-water laser scanning systems). In
the case of underwater operation there several engineering complications due to different
optical behaviour of water and air. These require special design of the underwater device to
reduce distortions and keep results correct.
Important R&D to solve
- Underwater the laser beam is emitted trough a protective glass from air to water
phase. The back projection happens again from water trough glass and back in air.
The existing worldwide airborne camera does not suffer from this physics. Special
design of the optical system and appropriate correction of the obtained distortions.
- Special care has to be done for resistance to high pressure 10 atm. humidity and
corrosion proof.
Benefits of DeepBlue System
- High precision detection of defects in underwater objects
o ship bottoms without dry dock use
o cavitation defects or other problems of ship propellers.
 As the price of new propeller of a big ship is high and propeller
maintenance is about 5% of the cost of the propeller (e.g. 500 000$)
The maintenance or replacement has to be done only when needed.
An underwater evaluation of the quality of the surface of the
propeller could save significant resources to the ship owner
 Equipping an underwater drone with grinding, polishing tool and
DeepBlue camera system a controlled polishing of the propeller can
be achieved.
o Inspection of defects on underwater constructions. Offshore platforms, Port
underwater constructions, other border equipment operating below water
level in the see can be scanned to detect early defects and potential
damages leading to bigger problems if not solved on time.
o Pipeline quality inspection and repair
 Pipelines and other infrastructure tubes are produced in segments.
The segments are weld or sealed otherwise, before putting them
under water. Once installed underwater a repair and maintenance
of the infrastructure can be done only underwater using divers or
expensive submarines. With DeepBlue mounted on a drone with
appropriate equipment the quality validation, defect evaluation and
eventual repair.
- Control and trajectory correction near surfaces for scanning and of underwater
inspection.
o Robot / Drone path correction underwater.
o Underwater path correction during welding.
o Underwater adaptive welding
o Underwater seam inspection