В этом блоге публикуются доклады, презентации и прочие материалы с отраслевых форумов и конференций

01.03.2018 03:00 / слово специалистам, арктика, доклад, глайдеры, беспилотник, подводный глайдер

Арктика - место для роботов

0 1692 7 мин

Беспилотные аппараты - одно из наиболее стремительно развивающихся направлений в современной промышленности. В военной сфере их преимущества и театры использования очевидны. В мирной жизни - без них трудно обойтись там, где суровые климатические или физические условия затрудняют исследования. Проще говоря, самое актуальное место, где такие аппараты требуются уже давным-давно, это Арктика.

Известная российская компания "Океанос", ведущая разработку подобных роботов, создала в 2017 году целое семейство глайдеров, специально предназначенных для работы в арктических условиях. Сегодня мы публикуем доклад представителя НПП ПТ "Океанос" Владислава Занина, где об этом проекте рассказывается подробнее. Доклад был сделан в декабре 2017 года на конференции "Арктика: настоящее и будущее"

От редакции

Перспективы использования морских робототехнических систем АО "НПП ПТ "Океанос" в экологическом мониторинге в условиях Арктики

Доклад посвящен опыту проектирования, изготовления и практических испытаний образцов подводной робототехники (с гидродинамическими и гибридными принципами движения), разрабатываемых АО "НПП ПТ "Океанос", потенциалу и перспективам их применения в целях экологического мониторинга и океанографических наблюдений в условиях Арктики и Крайнего Севера.

АО "НПП ПТ "Океанос"

План по освоению арктического региона, утвержденный президентом РФ, включает в себя мероприятия по экологическому мониторингу арктического пространства. Это включает в себя, помимо глобальных исследований Арктики, изучение и разведку потенциально намеченных к освоению регионов, наблюдение за экологическим воздействием на окружающую среду уже построенных объектов, морских инженерных сооружений, а также изучение ледовой обстановки и климатический мониторинг. Накопление, систематизация и передача подобных данных с помощью современных робототехнических средств позволяет ученым строить предиктивные модели климата, анализировать биотические индикаторы арктической экосистемы, строить карты толщин льдов с высокой точностью, а также вести активный экологический мониторинг в зонах объектов морской ресурсодобывающей инфраструктуры.

Задачи мониторинга и технические средства для их решения

Технические средства для решения задач экологического мониторинга постоянно развиваются. В целом, в зависимости от области применения также можно выделить две основные группы:

Группа 1 – сенсоры и приборные комплексы исследования состава и качества воды:
1. CTD (проводимость/соленость, температура, глубина) – базовый океанографический зонд для профилирования основных характеристик толщи воды.
2. Доплеровские лаги – градиентные профилографы течений.
3. Пробоотборники.
4. Измерители содержания кислорода.
5. Датчики прозрачности воды.
6. Измерители хлорофилла (флюорометры).
7. Измерители уровня цианобактерий.
8. Датчики растворенного углерода и азота.
9. Датчики углеводородов и т.д.

Группа 2 – комплексы для исследования поверхности дна, подповерхностного слоя, бентоса:
1. Гидролокаторы и многолучевые эхолоты для картирования дна.
2. Батиметрические гидролокаторы.
3. Донные пробоотборники.
4. Специализированные камеры (типа SPI – Sediment Profiling Imagery) и детекторы движений морских организмов.

Арктический бассейн Северного Ледовитого океана является одним из самых труднодоступных и сложных для исследования районов Мирового океана в связи с его климатическими и физико-географическими особенностями. Особенности региона определяют высокую затратность проводимых здесь исследований – их дороговизну, трудоемкость, организационную сложность, потребность в специальных технических средствах для проведения работ. Различная температура в слоях воды, различная соленость, работа в высоких широтах выдвигают особые требования к системам управления робототехнических средств, их навигации в данном районе, а также к организации проведения подобных работ.

??Робототехническая система освоения арктических акваторий

Среди современных робототехнических средств, применяемых для исследований и экологического мониторинга, можно выделить несколько основных типов.
1. Телеуправляемые подводные аппараты (ТПА, ROV – Remote Operating Vehicle).
2. Надводные дистанционно управляемые и автономные катера.
3. Донные базовые станции.
4. Автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА).
5. Подводные и поверхностные аппараты с гидродинамическими принципами движения (волновые и подводные глайдеры).
6. Гибридные глайдеры, обладающие способностью к движению как в глайдерном, так и в моторном режиме.

АО "НПП ПТ "Океанос"

Традиционная система мониторинга, включающая в себя использование судов, буксируемых и опускных датчиков, долговременных стационарных и плавающих буев, в силу тяжелых природных условий в Арктике становится все более малоприменимой. Очевидно, что текущие вызовы в данном регионе диктуют необходимость в средствах, которые обладают следующими свойствами – способность выполнять поставленные задачи, высокая автономность, отсутствие необходимости в частом всплытии, минимальная необходимость в обеспечении с поверхности, способность к групповым действиям. Таким образом, в рамках данной концепции, система, отвечающая данным требованиям, будет представлять из себя группу автономных подводных аппаратов различных типов и систему их обеспечения.

На сегодняшний день эта система может состоять из:
• донных базовых станций (являющихся базами для подводных аппаратов и самостоятельно несущими приборную нагрузку для стационарного мониторинга);
• автономных необитаемых подводных аппаратов (традиционной компоновки, с гребным винтом) – АНПА;
• подводных глайдеров – аппаратов с гидродинамическими принципами движения, обладающих существенно более высокой автономностью и дальностью хода, чем АНПА;
• подводных глайдеров гибридного типа – аппаратов, сочетающих в себе достоинства АНПА и
глайдеров традиционной компоновки.

Элементы системы увязываются между собой подводными средствами цифровой коммуникации (гидроакустические модемы, в настоящее время активно разрабатываются и внедряются способы управления с использованием оптических (лазерных) систем) и управляются алгоритмами группового поведения.

Примеры решения задач мониторинга с использованием элементов глобальной робототехнической системы

В качестве примера использования элементов подобной системы рассмотрим исследовательскую экспедицию, проведенную в 2016 году в проливе Фрама. Данный пролив характеризуется сложными метеоусловиями, активным движением льдов, пересекающимися течениями различной температуры.

В ходе данной экспедиции применялся робототехнический комплекс, представляющий собой АНПА, оснащенный комплексным датчиком проводимость/глубина/соленость (CTD), акустическим доплеровским измерителем течения(ADCP), датчик фотосинтетически активной радиации (PAR), настроенный на хлорофилл типа "А флуориметр", а также датчики нитратов, кислорода, сенсоры органики, пробник для отбора проб воды.

АО "НПП ПТ "Океанос"

Полученные данные позволили не только составить карту температур на заданных глубинах, но и получить данные о практической солености в различных слоях воды, провести оценку состояния акватории по характерным следам хлорофилла фитопланктона. На основе этих данных стало возможно спрогнозировать обстановку на данном стратегическом участке при минимальных затратах.

Успешным примером использования аппаратов аналогичного класса также является эксперимент по оценке толщины льда с использованием АНПА, оснащенных гидролокаторами различного типа и профилографами. Группа таких аппаратов провела автономный осмотр ледяного покрова, определила характеристики этого льда, составила карту толщин ледяного покрова. Подобных примеров успешного использования подводных робототехниеских средств для освоения Арктики по мере развития робототехнических средств будет с каждым годом все больше и больше, учитывая высокий коэффициент полезности, точности и количества получаемых данных при использовании данных аппаратов и низкую эксплуатационную стоимость в сравнении с традиционными способами получения информации.

Разработки АО "НПП ПТ "Океанос" для применения в арктических исследованиях

АО "НПП ПТ "Океанос" работает в тесной кооперации с СПбГМТУ, а также ведущими российскими компаниями. Целью данной кооперации является создание семейства эффективных морских робототехнических средств. Коллективом АО "НПП ПТ "Океанос" с 2011 года ведутся собственные разработки семейства АНПА глайдерного типа, способных к погружению до 1000 м и обладающих автономностью не менее 6 мес., подготовленных для работы в условиях Арктики. В ходе практических спусков аппарата в 2015-2017 годах подтверждены требования к навигации, маневренности и скорости аппарата, выработан оптимальный режим прохода заданных точек, выход на оптимальный по энергоэффективности режим планирования.

АО "НПП ПТ "Океанос"

В ходе работ по тематике глайдера:
• был спроектирован, создан и испытан рабочий образец аппарата с гидродинамическими принципами движения;
• теоретически определены и практически подтверждены благоприятные и неблагоприятные режимы движения;
• создано специализированное программное и аппаратное обеспечение САУ аппарата;
• создано специализированное ПО постановки и анализа миссий, позволяющее получать материалы для дальнейших исследований;
• спроектирован и испытан вариант глайдера с гибридной двигательной установкой, начаты работы по оптимизации функционирования глайдера в гибридном режиме;
• проведены испытания глайдера в режиме носителя мини-АНПА и буксируемых антенн.

Возможна комплектация глайдера как глайдера-носителя с увеличенной автономностью для мини-АНПА типа АНПА "Акара" разработки СПбГМТУ (или аналогичного), что дает возможность доставки АНПА в зону работ без использования энергоресурсов АНПА. Также глайдеры выполняют функции ретрансляторов для обеспечения связи в группе АНПА, а также между разнородными элементами группы подводных робототехнических средств. В ходе проведения испытаний рабочего образца глайдера был отработан вариант с использованием аппарата в качестве носителя АНПА, определены оптимальные параметры движения и ограничения на данный режим.

Основным содержанием работ периода 2017 года стал вариант гибридного глайдера, позволяющий как осуществлять движение АНПА за счет гидродинамических принципов движения, так и в моторном режиме выполнять миссию как обычный АНПА. Это необходимо при проведении обследований, требующих равномерного прямолинейного движения на заданной глубине (например, с использованием ГБО), а также при преодолении зон сильных течений (в моторном режиме скорость аппарата достигает 3,5 узл., в глайдерном – 0,3 узл).

Корабел.ру

Также проработан концепт-проект донной станции, выполняющей роль базы для подзарядки, навигации и обслуживания подводных робототехнических средств. В рамках данной концепции разработан, спроектирован и изготовлен электрический многофунциональный 6-степенной манипулятор со сменными насадками. Данный манипулятор может ассистировать при стыковке аппаратов к базовой донной станции. При размещении на ТПА или АНПА с его помощью можно выполнять точные подводные работы, отбирать пробы грунта, льда и морских организмов, выполнять работы по обслуживанию и ремонту донных станций и других аппаратов. Элементом новизны данной конструкции является полностью электрическая схема (без гидравлических приводов), облегчающая дальнейшую интеграцию с системами автоматического управления и высокую точность работы. На участках открытой воды представляется перспективным использование разрабатываемого в СПбГМТУ волнового глайдера в качестве потенциальной ретрансляционной базы для связи подводных аппаратов, а также в качестве
долговременной станции гидрометеорологического и экологического наблюдения.

Заключение

В заключение хотелось бы еще раз подчеркнуть важность глобального мониторинга пространства Арктики, периодичность получения данных, необходимость развития российских робототехнических систем и приборных комплексов мониторинга для последующей интеграции с разрабатываемыми в настоящее время платформами.

Дальнейшей перспективой исследований в сфере робототехнических средств является концепция семейства робототехнических средств и разработка нового класса техники - универсальных подводных аппаратов, сочетающих в себе достоинства различных типов морских робототехнических средств с внедренными технологиями группового управления. Учитывая перспективы развития и освоения Арктики, нет сомнений, что актуальность и востребованность отечественных робототехнических решений будет крайне высока.

Владислав Занин,
коммерческий представитель АО "НПП ПТ "Океанос"

Доклад предоставлен организаторами конференции "Материалы и технологии для Арктики - 2017"

Материалы по теме:
Как проходят испытания глайдера (репортаж с испытаний глайдера компании "Океанос")
В центре внимания "МВМС-2017": глайдеры совместного производства "ОКЕАНОС" и СПбГМТУ (все сказано в заголовке)