eng
Выпуск #8/2009
Л.Бочаров.
Необитаемые подводные аппараты: состояние и общие тенденции развития. Часть 2
Необитаемые подводные аппараты: состояние и общие тенденции развития. Часть 2
Просмотры: 4341
Мы продолжаем рассказ о состоянии и тенденциях развития необитаемых подводных аппаратов. Во второй части статьи речь пойдет о автономных подводных микроаппаратах – одном из наиболее перспективных направлений развития современной микроробототехнки. Надо ли лишний раз подчеркивать, что развитие этого направления в огромной степени определяется достижениями современных электронных технологий. С другой стороны, подводные микроаппараты формируют новый рынок для изделий электроники, стимулируя их дальнейшее развитие.
Особенности развития АПМА и микророботов
В зарубежных публикациях автономные подводные микроаппараты называют micro-UUV (micro Unmanned Underwater Vehicle – необитаемый подводный микроаппарат). Позднее появился термин micro-AUV (автономный подводный микроаппарат, АПМА). Наибольшая активность исследований и разработок (по числу патентов и публикаций в научно-технической литературе) в области создания АПМА наблюдается в США (мировой лидер), Японии, Сингапуре, Канаде и Исландии.
Мировыми лидерами в разработках АПМА и микророботов выступают следующие научно-исследовательские организации и университеты: Nekton Research LLC (в конце 2008 года приобретена компанией iRobot), Marine Science Center of Northeastern University, Massachusetts Institute of Technology (MIT Dept. of Ocean Engineering), DUKE & NC State University Team, iRobot, Office Naval Research (ONR) (ВМС) (все – США); Modular robotic & Robot locomotion Group, School of MPE, NTU (Сингапур); Mobile Robotics Lab at McGill University, компании Inuktun и Hyland Underwater Vehicles (все – Канада); Essex University (Великобритания), Osaka University и Shinshu University (Япония).
Пока в эксплуатации находится незначительное число типов ПМА. Преимущественно это разработки компаний Nekton Research LLC, iRobot (США) и Inuktun (Канада). Наиболее известные их проекты:
* АНПА Ranger (Nekton Research LLС);
* TransPhibian (совместная разработка Nekton Research LLC и Отдела научных исследований ВМС США). В конструкции использованы бионические принципы, прототип – проект Madeleine компании Nekton Research LLC) и
* робот Sea Talon (Surf Zone Crawler), разработан компанией Foster Miller. Ползающий аппарат, модификация наземного робота Talon (более ранняя модель – LEMMING).
Всего же за рубежом насчитывается 37–40 проектов АПМА, как правило, не являющихся коммерчески доступными (табл.2, рис.16).
Среди самых миниатюрных подводных аппаратов можно выделить серию конструктивно масштабируемых АПМА MicroHunter (рис.17). Ее в 1999–2002 годы по заказу Управления перспективных исследований и разработок Министерства обороны США (DARPA) разработало научное подразделение компании Nekton Research LLC совместно с университетом Дьюка (США). Микроаппараты длиной 5–20 см предназначены для отработки концепций применения группировок из миниатюрных подводных роботов для обнаружения целей, целеуказания и наведения торпедного оружия, а также мониторинга свойств водной среды (измерение температуры, солености и т.д.).
Один из действующих макетов, предназначенных для обзорно-поисковых работ, имеет длину 20 см, диаметр корпуса ~5 см, глубину погружения до 100 м и развивает скорость до 2 узлов. В состав системы энергообеспечения входит аккумуляторная батарея типа АА, обеспечивающая автономность плавания в пределах 3 часов, что соответствует дальности хода до 10 км. Самый миниатюрный аппарат серии MicroHunter с дальностью действия порядка 30 км имеет длину всего 5 см и массу около 5 г. В своих разработках Nekton Research LLC применила ряд оригинальных конструкторских решений, обеспечивших высокую маневренность MicroHunter. Кроме того, встроенные в них системы управления позволяют эффективно применять достаточно большую группировку MicroHunter (более 30 микроаппаратов) для решения задач сбора трехмерной информации о подводных объектах.
АПМА на бионических принципах
Существенная часть проектов перспективных АПМА разрабатывается на основе бионических подходов (см. врезку). Большой объем научных исследований по созданию миниатюрных подводных роботов проводится в рамках американской комплексной программы "Подводные роботы на биомимикрических принципах" (Biomimetic Underwater Robot)". Руководит этой программой Центр морских наук (Marine Science Center) Северо-восточного университета (Бостон) по заказу DARPA (в лице ее отдела оборонных наук DSO) и Отдела научных исследований ВМС США (ONR). Основная цель программы – создание полностью автономных подводных роботов, имитирующих принципы движения морских биологических объектов. Ожидается, что полученные результаты найдут широкое применение при решении различного рода задач, например: обнаружение донных (в том числе и заиленных) мин на мелководье; проведение осмотрово-инспекционных работ; сбор информации с автономных донных станций; освещение подводной обстановки; поддержка аварийно-спасательных и обзорно-поисковых работ; организация гидроакустической связи с подводными лодками и другими подводными техническими средствами.
В ходе реализации программы Biomimetic Underwater Robot были разработаны макетные образцы миниатюрных подводных роботов "Робот-лобстер" (Lobster Robot) и "Робот-минога" (Undulatory Robot) (рис.18). Эти разработки проводились при финансовой поддержке DARPA (Отдел оборонных наук) и ONR.
В другой научно-исследовательской организации США –лаборатории Дрейпера (Draper Laboratory) интенсивно ведутся исследования по созданию необитаемых подводных аппаратов повышенной маневренности. Предполагается, что на основе технической имитации движения рыб будут созданы подводные аппараты, обладающие малым радиусом разворота, существенно сокращенным временем разгона и торможения (см. рис.18). Робот-рыба имеет массу 130–150 кг, длину ~2,4 м и может развивать скорость до 5 км/ч. В ходе многочисленных испытаний в закрытом бассейне Нью-Гемпширского университета и в открытых акваториях была отработана гибкая конструкция корпуса подводного робота, а также уточнены алгоритмы управления его движением.
В Массачусетском технологическом институте создан подводный "робот-щука" (Pike) длиной 0,7–0,8 м, способный развивать скорость до 5–6 м/с. Он является следующим этапом развития экспериментального подводного робота Tuna (тунец), разработанного в этом же институте еще в 1994 году.
Другой пример АПМА бионического типа – робот-рыба MT1 (рис.19), созданный в Essex University (Великобритания). Масса этого миниатюрного аппарата – 3,55 кг, длина – 48 см (включая хвостовой плавник длиной 12 см), ширина – 21,5 см (включая два грудных плавника по 8 см каждый), высота 15 см. Робот МТ1 обладает нейтральной плавучестью. В его базовую конструкцию входят (рис.20):
* прочный корпус, внутри которого размещены электронные устройства (блок управления, процессор, навигационные датчики, блок беспроводной связи и устройство хранения информации);
* движительно-рулевой комплекс, включающий два миниатюрных электродвигателя (основной – для управления хвостовым плавником и вспомогательный – для управления грудными плавниками), блок управления двигателями, приводы (гибкие пластиковые пластины, металлические валы и рычаги) и три плавника (один хвостовой и два грудных);
* элементы плавучести;
* система энергообеспечения на основе элементов питания типа АА;
* навигационный комплекс, состоящий из датчика глубины (использован датчик давления 40PC015 компании Honeywell), инклинометра (на базе акселерометра ADXL202 компании Analog Devices), датчика курса (электронный компас CMPS03 компании TotalRobots);
* система технического зрения (обнаружения препятствий), созданная на основе двух ИК-датчиков компании TotalRobots;
* беспроводной модем (с антенной) стандарта IEEE 802.11g.
Для установки/смены программного задания и получения данных от датчиков ПМА используется портативный компьютер с модулем беспроводной связи.
MT1 способен самостоятельно ориентироваться и передвигаться в подводном пространстве на глубине до 10 м, имитируя при этом способы движения различных видов рыб. При отработке алгоритмов движения микроаппарата широко использовались технологии искусственного интеллекта и нейросетевые методы самообучения.
В целом, можно предположить, что массовое производство АМПА начнется после 2010 года. При этом первоначально будут создаваться микроаппараты одноразового применения (невозвращаемые) стоимостью менее 500–1000 долл. США.
Подводные планеры
В последнее время наблюдается повышенный интерес к разработкам и использованию подводных аппаратов, обладающих сверхбольшой (от недель до года) продолжительностью автономного плавания. Такие подводные средства уже хорошо зарекомендовали себя при решении исследовательских океанографических задач, связанных с широкомасштабными измерениями параметров среды в водной толще и вблизи дна. Из-за особенностей конструкции они объединяются в один класс АНПА, именуемых подводными планерами (gliders). К этому классу относятся аппараты, которые перемещаются в водном пространстве по наклонным траекториям за счет изменения их остаточной плавучести. Такие АНПА-планеры являются дальнейшим эволюционным развитием притопленных дрейфующих буев типа ALACE, MARVOR, PROVOR, APEX и SOLO. В мире уже создано 5–6 функционально завершенных проектов подводных планеров: проекты США Sea Glider, Spray Glider, XRay Glider, Slocum-E и Slocum-T и французский проект Sterne (ранее – Glisserius). Отметим, что в АНПА проекта Slocum-E энергообеспечение главного исполнительного устройства системы изменения остаточной плавучести осуществляется на основе химических источников тока, а в Slocum-T – при помощи устройства преобразования тепловой энергии океана (изменения температуры воды) в механическую энергию, запасаемую в аккумуляторе давления.
Основные отличительные особенности подводных планеров – сверхбольшая дальность хода (>1,5 тыс. км) и "рекордная" автономность (от недель до года); малые массогабаритные характеристики (масса 50–120 кг, длина ~2 м), низкая стоимость производства и эксплуатации аппаратов, обеспечивающая, в том числе, их эффективное групповое применение, простота процедур сбора измерительной информации и корректировки программного задания, определяемая возможностями современных телекоммуникационных технологий.
Необитаемые подводные аппараты являются сегодня одним из перспективных направлений развития робототехники. Как системная область, данное направление неразрывно связано с развитием микроэлектронных (включая микросистемные) технологий. И если не обратить на него самое серьезное внимание, отставание может привести к катастрофическим последствиям – как экономического, так и оборонного плана.
* Продолжение. Начало см. ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2009, №7, с.62–69.
В зарубежных публикациях автономные подводные микроаппараты называют micro-UUV (micro Unmanned Underwater Vehicle – необитаемый подводный микроаппарат). Позднее появился термин micro-AUV (автономный подводный микроаппарат, АПМА). Наибольшая активность исследований и разработок (по числу патентов и публикаций в научно-технической литературе) в области создания АПМА наблюдается в США (мировой лидер), Японии, Сингапуре, Канаде и Исландии.
Мировыми лидерами в разработках АПМА и микророботов выступают следующие научно-исследовательские организации и университеты: Nekton Research LLC (в конце 2008 года приобретена компанией iRobot), Marine Science Center of Northeastern University, Massachusetts Institute of Technology (MIT Dept. of Ocean Engineering), DUKE & NC State University Team, iRobot, Office Naval Research (ONR) (ВМС) (все – США); Modular robotic & Robot locomotion Group, School of MPE, NTU (Сингапур); Mobile Robotics Lab at McGill University, компании Inuktun и Hyland Underwater Vehicles (все – Канада); Essex University (Великобритания), Osaka University и Shinshu University (Япония).
Пока в эксплуатации находится незначительное число типов ПМА. Преимущественно это разработки компаний Nekton Research LLC, iRobot (США) и Inuktun (Канада). Наиболее известные их проекты:
* АНПА Ranger (Nekton Research LLС);
* TransPhibian (совместная разработка Nekton Research LLC и Отдела научных исследований ВМС США). В конструкции использованы бионические принципы, прототип – проект Madeleine компании Nekton Research LLC) и
* робот Sea Talon (Surf Zone Crawler), разработан компанией Foster Miller. Ползающий аппарат, модификация наземного робота Talon (более ранняя модель – LEMMING).
Всего же за рубежом насчитывается 37–40 проектов АПМА, как правило, не являющихся коммерчески доступными (табл.2, рис.16).
Среди самых миниатюрных подводных аппаратов можно выделить серию конструктивно масштабируемых АПМА MicroHunter (рис.17). Ее в 1999–2002 годы по заказу Управления перспективных исследований и разработок Министерства обороны США (DARPA) разработало научное подразделение компании Nekton Research LLC совместно с университетом Дьюка (США). Микроаппараты длиной 5–20 см предназначены для отработки концепций применения группировок из миниатюрных подводных роботов для обнаружения целей, целеуказания и наведения торпедного оружия, а также мониторинга свойств водной среды (измерение температуры, солености и т.д.).
Один из действующих макетов, предназначенных для обзорно-поисковых работ, имеет длину 20 см, диаметр корпуса ~5 см, глубину погружения до 100 м и развивает скорость до 2 узлов. В состав системы энергообеспечения входит аккумуляторная батарея типа АА, обеспечивающая автономность плавания в пределах 3 часов, что соответствует дальности хода до 10 км. Самый миниатюрный аппарат серии MicroHunter с дальностью действия порядка 30 км имеет длину всего 5 см и массу около 5 г. В своих разработках Nekton Research LLC применила ряд оригинальных конструкторских решений, обеспечивших высокую маневренность MicroHunter. Кроме того, встроенные в них системы управления позволяют эффективно применять достаточно большую группировку MicroHunter (более 30 микроаппаратов) для решения задач сбора трехмерной информации о подводных объектах.
АПМА на бионических принципах
Существенная часть проектов перспективных АПМА разрабатывается на основе бионических подходов (см. врезку). Большой объем научных исследований по созданию миниатюрных подводных роботов проводится в рамках американской комплексной программы "Подводные роботы на биомимикрических принципах" (Biomimetic Underwater Robot)". Руководит этой программой Центр морских наук (Marine Science Center) Северо-восточного университета (Бостон) по заказу DARPA (в лице ее отдела оборонных наук DSO) и Отдела научных исследований ВМС США (ONR). Основная цель программы – создание полностью автономных подводных роботов, имитирующих принципы движения морских биологических объектов. Ожидается, что полученные результаты найдут широкое применение при решении различного рода задач, например: обнаружение донных (в том числе и заиленных) мин на мелководье; проведение осмотрово-инспекционных работ; сбор информации с автономных донных станций; освещение подводной обстановки; поддержка аварийно-спасательных и обзорно-поисковых работ; организация гидроакустической связи с подводными лодками и другими подводными техническими средствами.
В ходе реализации программы Biomimetic Underwater Robot были разработаны макетные образцы миниатюрных подводных роботов "Робот-лобстер" (Lobster Robot) и "Робот-минога" (Undulatory Robot) (рис.18). Эти разработки проводились при финансовой поддержке DARPA (Отдел оборонных наук) и ONR.
В другой научно-исследовательской организации США –лаборатории Дрейпера (Draper Laboratory) интенсивно ведутся исследования по созданию необитаемых подводных аппаратов повышенной маневренности. Предполагается, что на основе технической имитации движения рыб будут созданы подводные аппараты, обладающие малым радиусом разворота, существенно сокращенным временем разгона и торможения (см. рис.18). Робот-рыба имеет массу 130–150 кг, длину ~2,4 м и может развивать скорость до 5 км/ч. В ходе многочисленных испытаний в закрытом бассейне Нью-Гемпширского университета и в открытых акваториях была отработана гибкая конструкция корпуса подводного робота, а также уточнены алгоритмы управления его движением.
В Массачусетском технологическом институте создан подводный "робот-щука" (Pike) длиной 0,7–0,8 м, способный развивать скорость до 5–6 м/с. Он является следующим этапом развития экспериментального подводного робота Tuna (тунец), разработанного в этом же институте еще в 1994 году.
Другой пример АПМА бионического типа – робот-рыба MT1 (рис.19), созданный в Essex University (Великобритания). Масса этого миниатюрного аппарата – 3,55 кг, длина – 48 см (включая хвостовой плавник длиной 12 см), ширина – 21,5 см (включая два грудных плавника по 8 см каждый), высота 15 см. Робот МТ1 обладает нейтральной плавучестью. В его базовую конструкцию входят (рис.20):
* прочный корпус, внутри которого размещены электронные устройства (блок управления, процессор, навигационные датчики, блок беспроводной связи и устройство хранения информации);
* движительно-рулевой комплекс, включающий два миниатюрных электродвигателя (основной – для управления хвостовым плавником и вспомогательный – для управления грудными плавниками), блок управления двигателями, приводы (гибкие пластиковые пластины, металлические валы и рычаги) и три плавника (один хвостовой и два грудных);
* элементы плавучести;
* система энергообеспечения на основе элементов питания типа АА;
* навигационный комплекс, состоящий из датчика глубины (использован датчик давления 40PC015 компании Honeywell), инклинометра (на базе акселерометра ADXL202 компании Analog Devices), датчика курса (электронный компас CMPS03 компании TotalRobots);
* система технического зрения (обнаружения препятствий), созданная на основе двух ИК-датчиков компании TotalRobots;
* беспроводной модем (с антенной) стандарта IEEE 802.11g.
Для установки/смены программного задания и получения данных от датчиков ПМА используется портативный компьютер с модулем беспроводной связи.
MT1 способен самостоятельно ориентироваться и передвигаться в подводном пространстве на глубине до 10 м, имитируя при этом способы движения различных видов рыб. При отработке алгоритмов движения микроаппарата широко использовались технологии искусственного интеллекта и нейросетевые методы самообучения.
В целом, можно предположить, что массовое производство АМПА начнется после 2010 года. При этом первоначально будут создаваться микроаппараты одноразового применения (невозвращаемые) стоимостью менее 500–1000 долл. США.
Подводные планеры
В последнее время наблюдается повышенный интерес к разработкам и использованию подводных аппаратов, обладающих сверхбольшой (от недель до года) продолжительностью автономного плавания. Такие подводные средства уже хорошо зарекомендовали себя при решении исследовательских океанографических задач, связанных с широкомасштабными измерениями параметров среды в водной толще и вблизи дна. Из-за особенностей конструкции они объединяются в один класс АНПА, именуемых подводными планерами (gliders). К этому классу относятся аппараты, которые перемещаются в водном пространстве по наклонным траекториям за счет изменения их остаточной плавучести. Такие АНПА-планеры являются дальнейшим эволюционным развитием притопленных дрейфующих буев типа ALACE, MARVOR, PROVOR, APEX и SOLO. В мире уже создано 5–6 функционально завершенных проектов подводных планеров: проекты США Sea Glider, Spray Glider, XRay Glider, Slocum-E и Slocum-T и французский проект Sterne (ранее – Glisserius). Отметим, что в АНПА проекта Slocum-E энергообеспечение главного исполнительного устройства системы изменения остаточной плавучести осуществляется на основе химических источников тока, а в Slocum-T – при помощи устройства преобразования тепловой энергии океана (изменения температуры воды) в механическую энергию, запасаемую в аккумуляторе давления.
Основные отличительные особенности подводных планеров – сверхбольшая дальность хода (>1,5 тыс. км) и "рекордная" автономность (от недель до года); малые массогабаритные характеристики (масса 50–120 кг, длина ~2 м), низкая стоимость производства и эксплуатации аппаратов, обеспечивающая, в том числе, их эффективное групповое применение, простота процедур сбора измерительной информации и корректировки программного задания, определяемая возможностями современных телекоммуникационных технологий.
Необитаемые подводные аппараты являются сегодня одним из перспективных направлений развития робототехники. Как системная область, данное направление неразрывно связано с развитием микроэлектронных (включая микросистемные) технологий. И если не обратить на него самое серьезное внимание, отставание может привести к катастрофическим последствиям – как экономического, так и оборонного плана.
* Продолжение. Начало см. ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2009, №7, с.62–69.
Отзывы читателей
