Подводные глайдеры

Полезная нагрузка аппарата предполагалась состоящей из основной части,присутствующей в любых конфигурациях аппарата, и опциональных частей. К основным компонентам полезной нагрузки были отнесены СTD датчик и система технического зрения, к опциональным – гидролокатор бокового обзора, сенсор электромагнитных полей, а также другие системы/сенсоры по требованию заказчика.Управление аппаратами должно осуществляться с поста берегового управления как в подводном, так и надводном положениях.В результате выполненных исследований были разработаны концепция имодель использования разрабатываемого АНПА-М в составе группировки МРП,выполнено математическое моделирование определяющих характеристик аппарата, осуществлено проектирование, изготовление и сборка двух натурных экспериментальных образцов аппаратов, проработана программно-аппаратная архитектураинформационной системы аппарата.Прорабатывалось несколько вариантов торпедной гидродинамической компоновки АНПА-М:с одним маршевым движителем (гребным винтом), вертикальными носовыми рулями и двумя вертикальными подруливающими устройствами (ПУ);с маршевым плавниковым движительно-рулевым комплексом и двумявертикальными ПУ;c двумя маршевыми движителями (гребными винтами), расположеннымив кормовой оконечности и двумя вертикальными ПУ;c двумя маршевыми движителями (гребными винтами), расположенными в кормовой оконечности, двумя вертикальными и двумя горизонтальными ПУ.С учетом обеспечения требуемых технических характеристик АНПА в качествебазовой была выбрана гидродинамическая схема c двумя маршевыми движителями,расположенными в кормовой оконечности и двумя вертикальными ПУ.Рассмотрим основные функциональные системы аппарата.Система изменения плавучести (СИП), обеспечивающая регулировку плавучести АНПА-М для его позиционировании на заданном горизонте глубин. СИПпредставляет собой управляемый с помощью привода поршень, который изменяетсухой объем аппарата. Приводом является биполярный шаговый двигателей FL35ST28-0504A c драйверами Geckodrive G250X.Аппарат имеет два модуля СИП – носовой и кормовой. Конструктивно этимодули идентичны и взаимозаменяемы. Максимальный объем цилиндра каждогомодуля 50 мл. Таким образом, общий изменяемый сухой объем аппарата - 100 мл.В качестве системы позиционирования и навигации АНПА-М выбранагидроакустическая система позиционирования с короткой базой (USBL). Ввидутого, что в рамках разработанной модели использования группа АНПА-М функционирует в составе робототехнического комплекса, включающего волновойглайдер-ретранслятор, то обеспечение позиционирования подводных объектов осуществляется через USBL-модем, расположенный на надводном модулеволнового глайдера.Подобные системы позиционирования производят многие компании –Sonardyne, Kongsberg, EvoLogics, IXBLUE, Nautronix, EASYTRAK [14] идр. Точность позиционирования у систем перечисленных производителей не хуже 1 % от текущей дистанции, дальность от 1000м до 6000м иболее. Среди перечисленных выделяются гидроакустические модемы компанииEvoLogics, которые обеспечивают точность 0,01м по дистанции и 0,1° по углу вовсем рабочем диапазоне. Поэтому для межсредного шлюза был выбран модемEvoLogics S2C 42/65 USBL.Система гидроакустической связи строилась исходя из принципов минимизации массогабаритов устройства, обеспечения устойчивой связи на расстоянии до2000 м и скорости передачи информации не менее 9600 бит/с. Последнее обусловлено необходимостью передавать не только команды, но и изображения для иханализа в реальном масштабе времени. В результате для разрабатываемого аппарата был выбран модем компании EvoLogics S2C 42/65 OEM серии М, который наприемлемой дальности связи (до 2000 м) и глубинах до 200 м позволяет передавать информацию со скоростью до 31600 бит/с.Система надводной радиосвязи построена на базе Wi-Fi модуля D-Link DWA-137/A1 с подключаемой внешней антенной, рис. 3. Данный выбор обусловленобеспечением просты и надежности соединения радиомодуля и процессорногомодуля путем использования usb-разъема.Система обнаружения препятствий (впередсмотрящий ультразвуковой сонар) была разработана и изготовлена исходя из габаритных размеров, отведенныхпод пьезоэлектрическую антенну, расположенную в носовом модуле аппарата инеобходимых технических характеристик.Задачей сонара является формирование зондирующего импульса на рабочейчастоте, прием отраженного сигнала и формирование импульса по обнаруженному принятому сигналу. Расчет расстояния до преграды производится на вычислительном модуле по задержке импульса отраженного сигнала относительнозондирующего.Разработанный сонар может формировать несколько стробов по отраженнымсигналам, чтобы исключить обнаружение сигнала реверберации в мутной воде.Рабочая частота сонара выбиралась исходя из габаритов лоцируемых объектов, размеров антенны, которую можно разместить на АНПА, а также максимальной дальности, которую необходимо определять. Бортовым вычислителем (процессорным модулем) аппарата служит плата Beaglebone Black, работающая под управлением ОС Linux, рис. 5. Основнымидостоинствами платы являются: компактность и большое количество встроеннойпериферии (USB, Ethernet, 2 модуля реального времени, 6 ШИМ-генераторов, SPI,4 UART и пр.).Для обеспечения эффективной работы процессорного модуля дополнительнобыла разработана плата расширения, обеспечивающая работу в диапазоне питания системы энергообеспечения, защиту платы от бросков напряжения, а такжесоединение с сенсорами.Сенсор давления, температуры, курса, крена и дифферента, расположенный вносовом модуле, построен на основе модуля OpenROV IMU/Compass/Depth Module.Данный модуль представляет собой распаянные на малогабаритной платемодули BNO055 (компас, МЭМС гироскоп и акселерометр, производство Bosh), атакже модуль MS5837-30BA (датчик давления и температуры, производства TEConnectivity). Выбранный модуль в своем габаритном диапазоне сопоставим с лидерами по заявленным характеристикам и обеспечиваетнеобходимые ТТХ аппарату.Система технического зрения включает в себя модуль видеокамеры, носовой и кормовой осветители.В качестве модуля видеокамеры была выбрана плата Aptina RB HD CameraCape for BeagleBone Black A0-01 [18], как обладающая наибольшей светочуствительностью из всех доступных плат расширений для выбранного процессорного модуля.. В качестве носовых (и кормовых) осветителей системы техническогозрения были использованы модули OpenROV External Light Cube.На рисунке 4.2 представлена структурная схема системы энергообеспечения АНПА-М.Рисунок 4.2 Структурная схема системы энергообеспечения АНПА-М.Система энергообеспечения АНПА построена на аккумуляторных элементахтипа Li-Ion. В качестве базового элемента использовался элемент Samsung 18650,который благодаря своим геометрическим характеристикам позволил достаточноэффективно заполнить пространство батарейного модуля.Для получения требуемого напряжения и емкости используется 28 такихэлементов. В результате сборка АКБ обеспечивает напряжение 14,8В и емкость18,2 Ач, что дает требуемое энергопотребление в течении 1,5 часов.Аккумуляторная сборка дополнена платой балансировки напряжений при заряде, контроля тока разряда и защиты от переразряда.Пропульсивная система построен на двух маршевых винтовых движителяхCrustCrawler 400HFS [20], рис. 8, расположенных в кормовом модуле аппарата.Бесколлекторный двигатель комплекса работает на глубинах до 100 м, движитель создает максимальный упор 45,3Н. Входящая в комплект кольцевая насадка была заменена на насадку собственной разработки для улучшения ГДХ и использования другого конструктивного решения ее крепления к корпусу. Дляуправления бесколлекторными двигателями были использованы драйверы Blue Robotics Basic 30A ESC.Модуль подруливающего устройства построен на базе бесколлекторногодвигателя Turnigy Aerodrive DST-700 с соответствующим драйвером.Для уточнения тактико-технических характеристик АНПА-М, относящихся кего мореходным и эксплуатационным качествам выполнено расчетное исследование динамических свойств аппарата путем имитационного моделирования основных эксплуатационных режимов плавания с использованием программного обеспечения Ship Dynamic (СПбГМТУ).В целях предварительного гидродинамического анализа была выполненаоценка круговых значений гидродинамических сил и моментов в продольно-вертикальной и продольно-горизонтальной плоскостях. Программное обеспечениеShip Dynamic генерирует гидродинамические характеристики на основе информации о форме объекта.В целях оценки динамических свойств АНПА-М были смоделированы наиболее характерные эксплуатационные режимы плавания, на основе которых сформулированы предварительные выводы о ходовых и маневренных качествах аппарата. Выполненные динамические расчеты позволили сделать следующие выводыдля разработанной архитектуры аппарата:имеющийся движительно-рулевой комплекс обеспечивает вполне удовлетворительную управляемость АНПА-М в горизонтальной и вертикальнойплоскостях на ходу и в режиме зависания;переходные процессы имеют апериодический характер, что не вызываетизлишнего расхода энергии на стабилизацию колебаний;апериодический характер переходных процессов подтверждает предварительное заключение о достаточности уровня демпфирующих гидродинамических реакций, обеспечиваемых выбранной архитектурой АНПА-М;крен АНПА-М на циркуляции не превышает 0,3 градуса, что благоприятно для эксплуатации средств наблюдения за обстановкой;быстродействие системы имеет резервы для повышения посредством оптимизации алгоритмов управления;при сильных маневрах по глубине на ходу (переходах на 5 метров и более) быстродействие системы имеет тенденцию к существенному относительному росту, вследствие создания на переходе существенных угловдифферента. [4]В 27.08.2018 г. подводный глайдер «Морская тень» команды СПбГМТУ и АО "НПП ПТ "Океанос" максимально точно прошел назначенный маршрут на Всероссийских соревнованиях по морской робототехнике во Владивостоке. В условиях малых глубин (от 4,5 до 9 м при типовых рабочих глубинах от 23-30 до 2 тыс. м) глайдер на первом же спуске максимально точно прошел назначенный маршрут и завершил его согласно заложенной миссии.[10]ЗаключениеВ работе рассмотрены типы, области применения и преимущества подводных глайдеров.Преимущества глайдеров очевидны. К ним относятся экономичность, которая обеспечивает большую автономность и дальность хода, минимальная шумность, возможность применения модульной полезной нагрузки и способность решения широкого круга задач. За счет правильного проектирования комплекса также можно сократить расходы на эксплуатацию. Описаны разработки и практическое применение подводных глайдеров за границей.Осваивается разработки отечественных глайдеров, но их практическое применение сдерживают проблемы и трудности: сложностьрешениязадачпрототипированиявходеОКР, необходимостьсущественныхинвестицийнаначальномэтапедляразработкиуникальныхлогическихрешенийибольшогоколичествапрограммного обеспечения, отсутствиеединойконцепцииразвитияробототехническихсилисредств, отсутствиеспециалистовсовременногоуровняпрактическивовсехсмежныхобластях.Но самое главное требованиедляадекватностиразрабатываемыхпроектов«перескочить»черезтекущеепоколениеаппаратов(которыеустареюткмоментусерийногопроизводстваотечественнойтехники)изаниматьсясразуразработкойаппаратовследующегопоколения,притомчтоэлементнаябазароссийскогопроизводствавосновномтехнологическиуступаетзарубежной, а также отсутствует опыт широкого применения глайдеров во всех сферах, из-за чего требуется достаточно длительный период освоения и отработки.Список использованных источниковГайкович Б.А. Подводные глайдеры-роботы для исследования и мониторинга арктических акваторий/ Б.А. Гайкович// www.Korabel.ru. Выпуск 4 (30) Декабрь 2015 – с.126-128.Гайкович Б.А. Семейство подводных глайдеров – новые перспективы/ Б.А. Гайкович //Новый оборонный заказ. Стратегии 2015, №4 (36) – с.14-15.Занин В.Ю. Разработка модульно-унифицированного семейства автономных подводных аппаратов как элементовмультиагентной подводной робототехнической системы для Арктического региона», АО «НПП ПТ «Океанос»//Сборник работ лауреатов Международного конкурса научных, научно-технических и инновационных разработок, направленных на развитие и освоение Арктики и континентального шельфа 2017 года. С. 84-88.Занин В.Ю., Кожемякин И.В., Потехин Ю.П., Путинцев И.А., Рыжов В.А., Семенов Н.Н., Чемоданов М.Н. Разработка автономных необитаемых подводных аппаратов класса микро с функцией группового управления/В.Ю. Занин, И.В. Кожемякин, Ю.П. Потехин, И.А. Путинцев, В.А. Рыжов, Н.Н. Семенов, М.Н. Чемоданов// Известия ЮФУ. Технические науки. № 1-2 (186–187). 2017 г. С. 55-74.Разработка модульно-унифицированного семейства подводных глайдеров. Новый оборонный заказ. Стратегии. 05. 2017.С. 58-62.Кожемякин И.В. Перспективные технологии мониторинга океанографических данных. IV Международный форум «Арктика: настоящее и будущее». https://oceanos.ru/Glider_project. 2016_Arktik_doklad.КожемякинИ.В., РождественскийК.В., РыжовВ.А., Смольников А.В. Разработка автономных необитаемых подводных глайдеров.https://www.docme.ru/doc/1645285/razrabotka-avtonomnyh-neobitaemyh-podvodnyh-glajderov..pdf.Автономный поплавковый глайдер Wave Glider с гибридной системой энергопитания вышел на испытания. http://integral-russia.ru/2018/04/09.В Европе разрабатывают глубоководный робоглайдер для мониторинга загрязнений океана. https://prorobots.livejournal.com/33316.html.Подводный глайдер "ОКЕАНОСа" идеально выполнил задачу на спецсоревнованиях. https://sudostroenie.info/novosti/24076.html.Подводные глайдеры https://oceanos.ru/Gliders_general.Total отметила глайдер среди лучших инновационных разработок года. https://sudostroenie.info/novosti/24205.html.