80 nm Sailed Autonomously - Too Much for Mast

First, the good news: In September, Avalon managed to sail about 80nm without human interaction. The bad news: The mediterranean wind broke Avalon's mast. Following is a detailed report of the test written by Steffen Grundmann from Google Zurich. Scroll down for the German version.

Here are a few pictures and videos taken during the test:

https://plus.google.com/photos/118125335120041371678/albums/5791408533667734417

http://www.mysailinglog.com/page/turn/cruiseId/4022

http://www.youtube.com/watch?v=6E7tEPUYDZw

http://www.youtube.com/watch?v=1xmBh_iEFKo

http://www.youtube.com/watch?v=z_N2B_pYCOc

http://www.youtube.com/watch?v=H7PBQG_crzY

Log files of the test and the complete source code of the control software written by the Google engineers is available for download here:

http://code.google.com/p/avalonsailing/

 

Report on the Avalon test on the Mediterranean sea

On September 17th to 21st a joint team of the ETH Zurich, the SUPMECA Toulon and Google engineers performed a test of the Avalon South of Toulon in France.

During the past winter and spring we had prepared the Avalon for new tests. The signal processing software had been optimized after doing tests with the IMU. An electronic compass and a second GPS were added to achieve better signal quality and reliabilty. The software was made more robust and more performant.

On June 18th 2012 we did put the Avalon into the water for another round of tests. Thanks to the friendly support of the ZSC we could leave the boat at one of their buoys during the summer. The central location and our blinking masttop light later attracted hijackers which left the Avalon in the middle of Lake Zurich, fortunately without negative consequences. Thanks to Gregorys recommendation we could borrow the chase boat from the limnologists station in Kilchberg. We solved a few problems with the sail control and close hauled sailing. On September 9th we finished our tests successfully and returned the Avalon to the garage.

We had to enhance the solar panel fixation, repaired the mast damage done by the hijackers and other smaller things. 5 days before we left for Toulon the mast top light electronics and the satellite modem were destroyed. With a few phone calls all over Europe and a little luck I could hunt down the probably only available replacement device.

Luuk van Dijk and me met on Sunday and drove the trailer to Toulon. The next morning we put the Avalon into the water and found out that the absolute encoder on the rigg did not work. We could not fix it and tweaked the software in the hope that the mechanical overload clutch would not slip. The new AIS antenna broke off after 15 minutes and was replaced by a wire taped to the hull – not as nice as the original but a much more robust solution! While mounting the replacement modem we found the reason for the failure of the second wind sensor and the death of the masttop light. In the late afternoon we were ready to go. Our skipper Gilles had chartered a small catamaran and pulled the Avalon out of the busy Toulon harbour. We released Avalon for some tests in the waves of the sea and checked that we could make Avalon sail to an arbitrary target point in an emergency situation. But now we faced a problem: How could we catch the Avalon under these conditions withou crashing into it? It was very late at night when we finally succeded thanks to the brake mode of the Avalon control, but for the record I must say that catching the boat nicely (and conforming to Suva regulations) is an unsolved problem.

Next morning we read the weather forecast and defined the route Avalon should follow over the next days. We planned to go South first, then return to the coast and turn East, as far away from the storm near Marseilles as possible. I defined a leg of the route with a small tolerance because of the near coast and the small distance to other parts of the route. For the legs in the open sea this small tolerance was not necessary, leading to a few extra jibes.

On Tuesday, September 18th, 12:45 we released Avalon. The wind was weak, the speed slow, such that the logic that detects control loss triggered a restart in the InitialController mode. In every case we continued to sail normally afterwards. We picked up Aaron, Pascal and Cedric with the inflatable boat from the shore. The new crew members immediately got a job to do: the main fall knot had loosened. Cedric was brave enough to get himself pulled up to the cats mast top and bring the rope end down.

That night was a very quiet one, Avalon sailed smoothly, sent its position SMS as expected to our satellite phone on board and nothing special happened until the dolphins discovered us and started to circle around the cat.

The next morning we noticed that the position SMS were missing. The Avalon was sailing as planned but somehow the satellite communication was broken and could not be reactivated. We decided to continue sailing according to the rules and not to restart the system. Later the SMS started working again spontaneously. We tracked Avalon visually which was never a problem due to the repaired bright masttop light.

The second day a stronger wind of around 15 knots blew and the waves were about 1.5m high. During the following night the wind reached 25 knots in gusts. To stabilize the catamaran we tacked around the Avalon with a greater distance. According to the Avalon logs the wind sensor signal was interrupted occasionally. In general the boat followed the predefined route and reached the point were it should turn North.

Then a bad surprise: around 7:00 in the morning the foot of the mast broke. The reasons for this failure cannot be determined definitively but hidden damage by the collision in 2011 or a delamination in the region with the smallest radii are possibile reasons. We managed to rescue mast and sail, tied a rope to the boat, and pulled it to a buoy off Porquerol. After a dinner there we continued to the habour of Toulon.

Friday morning we helped taking the Avalon out of the water and said good by to this brave little ship that sailed 80 nautical miles in 42 hours fully autonomously.

The Avalon is now in Toulon. A group of SUPMECA students led by Cedric Anthierens will prepare the boat for the world championship 2013. We wish them good luck and much success!

 

Die Testfahrt der Avalon auf dem Mittelmeer

"Leinen los!" hiess es am 18. September 2012 südlich der Anse de Sablelettes bei Toulon. Nach gründlicher Vorbereitung und vielen Tests auf dem Zürichsee sollte die Avalon endlich zeigen, was sie kann, ohne dass der Steuermann auch nur einen Finger rührt. Der Wind war schwach aber stetig und die Wellen stellten kein Problem dar. Für den kommenden Tag war für das Rhonetal Mistral vorhergesagt worden, so dass wir eine östliche Route mit Schutz unter Land gewählt hatten. Zunächst verlief alles nach Plan: die Avalon folgte dem vorgegebenen Kurs und sendete Positionsmeldungen an das Satellitentelefon an Bord unseres Katamerans und an die Website an Land. Wir kehrten zur Küste zurück, um 3 weitere Crewmitglieder aufzunehmen, so dass unser Boot nun voll besetzt war und wir die Nachtschichten gut einteilen konnten. Dank des hellen Lichts an der Mastspitze war die Verfolgung bei Nacht leicht, das Wetter war freundlich, Delphine und der Zoll statteten uns einen Besuch ab und wir hatten viel Zeit, über die gelösten Probleme und die Zukunft des Projekts zu diskutieren.

Begonnen hatte das Avalon Projekt im Herbst 2008 am Autonomous Systems Lab der ETH Zürich. 8 Studenten hatten sich vorgenommen, am Microtransat-Rennen teilzunehmen und mit einem automatischen Segelboot ohne Einwirkung von Land den Atlantic zu überqueren. Bis zum folgenden Sommer wurde ein sehr robustes Boot gebaut: GFK Rumpf, 4m lang, 535kg schwer, 2m Tiefgang, 175kg Kielbombe an Karbonfaserkiel, 7.5m2 Sturmsegel, 2 Ruder. Die Versorgung des 24V-Bordnetzes wurde mit 4 Solarpaneelen a 90W, Akkumulatoren und einer Brennstoffzelle sichergestellt; GPS- und AIS-Empfänger, IMU und Windsensor wurden vorgesehen, um die nötigen Informationen an den Rechner zu liefern, der die 2 Ruderantriebe und den 300W Segelantrieb steuert. Diplom- und Masterarbeiten wurden zu Teilaspekten des Vorhabens geschrieben. Der Linux-Computer erhielt eine Software, die die Steuerung des Segels und der Ruder übernahm und erste Tests auf dem Urnersee ermöglichte. Im September 2009 belegte die Avalon bei der Weltmeisterschaft der Segelroboter in Portugal den 3. Platz. Steuerungsprobleme an der 1. Boje hatten eine bessere Platzierung verhindert. Im folgenden Jahr wurden die Mechanik und Elektrik des Bootes verbessert, aber ein erneuter Start auf dem Meer war nicht möglich, da sich viele der Beteiligten auf das Studium konzentrierten. Das Projekt lag gewissermassen brach, bis Luuk van Dijk es bei Google vorstellte.

Im Frühjahr 2011 begann eine Gruppe von Google-Ingenieuren in ihrer frei verfügbaren 20%-Zeit, die Steuerungssoftware komplett neu zu schreiben. Erste Tests auf dem Zürichsee wurden gemeinsam mit Studenten der ETH durchgeführt. Aber es gab Schwierigkeiten mit der Sensorik infolge von Blitzeinwirkung und Verdrahtungsfehlern sowie eine unglückliche Kollision mit der MS Rapperswil, die den ursprünglich für September geplanten Start bei der Microtransat verhinderten. In den folgenden Monaten wurden die Schäden behoben, die IMU durch ein separates GPS und einen besseren Kompass ergänzt, der Windsensor ersetzt und neu verdrahtet. Die Mastspitze wurde mit einem Blinklicht ausgestattet, das später einige Zürcher Nachtschwärmer anlocken sollte, die versuchten, die Avalon zu entführen! Die Software wurde verbessert und, soweit auf dem Trockenen möglich, intensiv mittels Simulationen getestet. Nach dem Einwassern im Sommer konnten wir auf dem See die letzten Probleme auf bestimmten Kursen untersuchen und beheben. Der ZSC ermöglichte es uns freundlicherweise, die Avalon zwischen den Tests an einer ihrer Bojen festzumachen. Anfang September wurden die Probefahrten erfolgreich abgeschlossen. 5 Tage vor der Abfahrt nach Toulon wurden das Mastlicht und das Satellitenmodem zerstört und nur mit viel Glück und Engagement konnten wir rechtzeitig ein Ersatzteil beschaffen. In Toulon angekommen versuchten wir, den während der Überführung ausgefallenen Segelwinkelsensor zu reparieren, doch letztendlich mussten wir ohne ihn auskommen. Die frischmontierte AIS-Antenne überlebte nur für 15 Minuten und wurde durch etwas Klingeldraht vollwertig ersetzt. Unser Skipper Gill hatte einen Katamaran gechartert, mit dem wir die Avalon aus dem Hafen schleppen konnten. Die anschliessenden Tests im Abendrot verliefen erfolgreich, aber es erwies sich als schwierig, unser Boot bei hohem Wellengang wieder an die Leine zu nehmen. Erst mit dem "Beiliegen"-Befehl an die Avalon gelang dies nach einigen halsbrecherischen Versuchen. Ich war sehr erleichtert und todmüde, als wir nach Mitternacht in unserer Ankerbucht ankamen. Am nächsten Tag konnten wir endlich unsere Schöpfung auf ihre Reise schicken.

Der zweite Tag auf See verlief wie anfangs beschrieben ruhig aber der dritte begann mit einer Überraschung: Wir hatten seit Stunden keine Positionsmeldungen von der Avalon empfangen, mussten sie in der Folge also ständig auf Sicht begleiten. Der Wind hatte aufgefrischt, die Wellen waren 1m hoch, aber die Avalon schlug sich tadellos, wie im Video zu sehen ist. Wir machten gute Fahrt und konnten das Segeln sehr geniessen. In der folgenden Nacht hatten wir etwas mehr Seegang und verzeichneten Wind um 20 Knoten, so dass wir in grossem Abstand zur Avalon mit dem Katamaran kreuzten. Die Avalon hatte in der Nacht mit kurzen Windsensorausfällen zu kämpfen, folgte aber weiter dem Kurs, bis kurz nach Sonnenaufgang der Mastfuss brach. Die Ursachen für dieses Versagen sind unklar, aber eine Vorschädigung durch die Kollision oder ein Materialversagen im Bereich der starken Krümmung über dem Mastfuss sind die wahrscheinlichsten. Es gelang uns, den Mast und das Segel zu bergen und das ansonsten unbeschädigte Boot nach Toulon zurückzuschleppen.

Wir haben 80 Meilen in 42 Stunden vollständig autonom zurückgelegt. Ich bin zufrieden mit dem Ergebnis, freue mich ausserordentlich über diesen Erfolg und danke unseren Sponsoren und den vielen Helfern ganz herzlich! Den Studenten der SUPMECA Toulon, die die Avalon zur Zeit instandsetzen und auf die nächste Weltmeisterschaft vorbereiten, wünsche ich viel Erfolg. Das Microtransat-Rennen ist bis heute offen.