ТЕХНОЛОГИИ (последнее)
ПРИОРИТЕТЫ ПОДВОДНОЙ РОБОТОТЕХНИКИ
Машиныи и моторы. Технологии и инновации. Оборудование.
Доктор технических наук Лев КИСЕЛЕВ, главный научный сотрудник Института проблем морских технологий ДВО РАН (Владивосток)
Исследования океанов и морей на больших глубинах невозможны без сложных технических средств и, в частности, необитаемых подводных аппаратов. Сегодня такие интеллектуальные роботы, пригодные для самого широкого круга научных, коммерческих, военных и иных целей, уже не диковинка, какой были всего два-три десятилетия назад, но каждый из них по-своему уникален и требует при его создании решения многих сложных научных и технических проблем.
ГЛУБИНЫ ОКЕАНА - МАНЯЩАЯ "TERRA INCOGNITA"
Первые поколения подводных роботов, появившихся в 70-х годах XX в., предназначались прежде всего для выполнения обзорно-поисковых задач - обеспечения, в частности, эхолокационной и фотографической съемки дна с целью обнаружения объектов, потерпевших аварию в морской пучине. Более поздние образцы разрабатывали и для других нужд - геологической разведки, топографической съемки рельефа дна (примером служит автономный подводный аппарат "Hugin", построенный в норвежском центре подводных технологий в 1995 - 1998 гг. и предназначенный для работ на глубинах до 3000 м). Подобные аппараты могут иметь огромное значение при поиске полезных ископаемых в районах морей и океанов, отличающихся исключительным разнообразием форм рельефа дна, активными процессами вулканической деятельности. Актуально их использование и для детального изучения гидротермальных систем, располагающихся на склонах подводных вулканов, в разломах земной коры. Обширные работы в этом направлении проводятся, в частности, в Республике Корея. Для разведки железомарганцевых конкреций в Микронезии в 1998 г. специалисты использовали автономный необитаемый подводный аппарат "ОКРО-6000", созданный по совместному (с фирмой DAEWOO) российско-корейскому проекту.
стр. 9
Практический опыт разработки подводных роботов для указанных нужд пока еще довольно беден, требуются сложные технические эксперименты. Кроме перечисленных задач, автоматические устройства могут помочь в изучении активных процессов в районах колоссального скопления газовых гидратов, например, в Охотском море. Это направление сегодня одно из наиболее приоритетных как в отношении геологических перспектив добычи крайне важных для человечества энергетических ресурсов, так и экологического мониторинга водной среды.
К числу наиболее трудоемких для необитаемых подводных аппаратов относятся исследовательские океанографические задачи, связанные с широкомасштабными измерениями параметров среды в водной толще и вблизи дна. В настоящее время уже существует широкий класс многоцелевых роботизированных комплексов для этих целей как на шельфе, так и на больших глубинах. Примером служат созданные в США в 1990 - 2000-е годы "Odyssey" (Массачусетсский технологический институт), "Ocean Nfoyager", "Ocean Explorer" (Флоридский океанографический университет), "REMUS" (Океанографический институт Woods Hole), применявшиеся в исследованиях в Мексиканском заливе, вблизи Антарктиды, а также в военных целях, в частности, для поиска мин в Персидском заливе. В перспективе на основе этих интеллектуальных роботов предполагается изучение активных придонных источников (в том числе гидротермалей), мониторинг водной среды.
В США в последние годы проведены первые опыты по совместному использованию нескольких аппаратов для изучения приливно-отливных процессов, глубинной конвекции и ряда других динамических явлений в океане. Вместе с тем руководители перечисленных работ отмечают: из-за пространственной и временной изменчивости океана и больших масштабов исследуемых явлений полную их картину, а также прогноз получить таким способом не удается. Вот почему актуально развертывание широкомасштабных систем наблюдения и глобального долговременного экологического мониторинга, предполагающего, в частности, измерение гидробиологических, гидрохимических и гидрофизических параметров водной среды с последующим картографированием данных. При сборе такого рода информации автоматы наиболее эффективны в придонных слоях, включая замеры с помощью датчиков содержания кислорода, солености, температуры, электропроводности, мутности воды, концентрации хлорофилла. И очевидно, что для выполнения подводными роботами перечисленных многообразных функций их надо оснастить многопроцессорной бортовой вычислительной сетью, способной к изменению конфигурации в зависимости от поставленных задач. В их числе могут быть и военные: зарубежные публикации свидетельствуют о разработке соответствующих роботизированных комплексов крупными корпорациями США и Европы.
ИДЕИ, ВОПЛОЩЕННЫЕ В МЕТАЛЛ
Отечественный опыт создания автономных необитаемых подводных аппаратов показателен как пример решения научно-технической проблемы, возникшей на стыке теории систем управления, робототехники, океанографии, морских технологий. Работы в данной области начали в 1972 г. в Институте автоматики и процессов управления Дальневосточного научного центра АН СССР. В 1988 г. на базе отдела, руководимого доктором технических наук Михаилом Агеевым (академик с 1992 г.), был организован Ин-
стр. 10
ститут проблем морских технологий ДВО РАН. За прошедшие почти 40 лет внедрено в практику свыше 20 типов роботов, способных выполнять разнообразные операции в океане, подо льдом, на шельфе и в прибрежных акваториях. Сложный путь научного поиска от макетных образцов до глубоководных комплексов представлен в трудах, подготовленных нашими учеными, например, в монографии под редакцией Михаила Агеева "Автономные подводные роботы. Системы и технологии" (М.: Наука, 2005, 398 с). На начальном этапе (мировой опыт создания подобной техники к тому времени был очень беден) ставили цель изготовить простейшие устройства для использования их на шельфовых глубинах в качестве носителей аппаратуры для сбора и накопления информации о внешней среде. Реализуя эту задачу, сотрудники нашего института создали первый в стране автоматический необитаемый подводный аппарат "Скат" (1974 г.). С его участием проводилась гидрохимическая съемка на озере Байкал в районе, примыкающем к целлюлозно-бумажному комбинату. В ходе этого экологического эксперимента отрабатывали также методику траекторных измерений локальных физических полей, вели съемку рельефа дна.
Приобретенный опыт в дальнейшем пригодился при конструировании аппарата "Скат-гео" (1976 г.), предназначавшегося для геодезических измерений и фотосъемки морского дна на шельфе. Предварительные оценки показали, что при установке на аппарат высокоточного гравиметра* можно в несколько раз повысить точность измерений, производимых с борта обычных судов и подводных лодок. Заключительные испытания "Скат-гео" прошли летом 1978 г. на геодезическом полигоне в Белом море и подтвердили все заданные параметры. Впоследствии он находился
* Гравиметр - прибор для измерения ускорения силы тяжести. Гравиметрическая съемка используется для решения геофизических и геологических задач (прим. ред.).
стр. 11
Цикл работы "солнечного" аппарата: подзарядка системы энергопитания в дневное время, выполнение рабочей программы на глубине ночью.
в пользовании Центрального научно-исследовательского института геодезии, аэросъемки и картографии. В 1991 - 1992 гг. после реконструкции применялся для обследования запасов марикультуры вблизи тихоокеанского побережья на Дальнем Востоке.
Основное достижение следующего этапа (1976 - 1985 гг.) - внедрение модульной технологии, предполагающей унификацию узлов и элементов аппаратов различного назначения и создание в нашем институте на ее основе глубоководного (до 6000 м) робототехнического комплекса. Испытания вошедших в его состав буксируемого и двух автономных аппаратов "Л-1" и "Л-2" с глубиной погружения 2000 и 6000 м соответственно, а также навигационного и вспомогательного оборудования состоялись в 1979 - 1980 гг. в Японском и Филиппинском морях. С того времени их интенсивно использовали на практике в различных районах Мирового океана; в ряде случаев это было связано с трагическими событиями. Например, в 1982 - 1983 гг. они участвовали в детальном обследовании района гибели советской атомной подводной лодки "К-8" на глубине свыше 5000 м в северной части Атлантики, а затем места катастрофы южнокорейского самолета вблизи острова Сахалин. В 1987 г. с их помощью обследовали атомную подводную лодку "К-219", потерпевшую аварию в Саргассовом море вблизи Бермудских островов. Весной 1989 г. глубоководный комплекс скрупулезно обследовал атомную субмарину "Комсомолец", затонувшую в Норвежском море. Причем из-за отсутствия достоверной информации о ее положении в начале поисковой операции применили буксируемый надводным судном аппарат, оснащенный гидролокатором бокового обзора и радиометром. На втором этапе место аварии обследовали обитаемые аппараты "Мир-1" и "Мир-2"*, базировавшиеся на научно-исследовательском судне "Академик Мстислав Келдыш", куда передали всю предварительно полученную информацию. А на заключительном этапе использовали автономный необитаемый аппарат "Л-2", совершивший 17 глубоководных погружений, в результате чего удалось получить около 1000 информативных фотоснимков.
Следующий уникальный подводный робот "Тифлонус" в институте начали проектировать в 1986 г. с учетом повышенной автономности для выполнения геофизических исследований в условиях Арктики. На нем отрабатывали новые бортовые системы, с его помощью производили экспериментальные акустические и гравиметрические измерения. В частности, было показано: погрешность измерений вертикальных ускорений с борта этого аппарата составляет единицы процентов от искомой величины, что на порядок выше, чем при решении таких задач с помощью судов и подводных лодок.
В 1988 г. по собственной инициативе в институте разработали автономный аппарат "МТ-88", в структуре которого получили развитие бортовые модули унифицированного состава и многопроцессорная система управления на основе локальной вычислительной сети. Его глубоководные испытания состоялись в Тихом океане в районе разлома Кларион-Клиппертон (северная приэкваториальная область Северо-Восточной котловины между 7 и 18° с.ш.) и были совмещены с обследованием участков дна с залежами железомарганцевых конкреций. Изыскания проводили в соответствии с договором о научно-техническом сотрудничестве, заключенным институтом с международной организацией "Интерокеан-металл".
В 1991 - 1995 гг. наши сотрудники в кооперации с китайскими партнерами из Института автоматики Академии наук КНР (город Шеньян) создали необитаемый аппарат "CR-01", предназначенный для оке-
* См.: А. Лисицын, А. Сагалевич. Академический подводный флот. - Наука в России, 1997, N 2; Главное открытие в океане. - Наука в России, 2001, N 1 (прим. ред.).
стр. 12
анографических исследований и поиска полезных ископаемых на глубинах до 6000 м. В его комплект входили измерители параметров водной среды, гидролокатор бокового обзора, видеосистема, акустический профилограф морского дна. В 1995 г. он успешно прошел испытания в Тихом океане и затем использовался как исследовательская платформа. Позднее наши и китайские специалисты спроектировали и построили "CR-02", по структуре аналогичный предыдущему. В числе международных проектов с участием института и уже упоминавшийся российско-корейский "ОКРО-6000".
Кроме перечисленных "больших" (массой свыше 1000 кг) подводных роботов, сотрудники института разработали и изготовили ряд "малых" (массой менее 500 кг). Среди них автономно-привязной аппарат "TSL" (1994 г.) для обследования протяженных водоводов (туннелей), способный работать в режимах автономного и супервизорного (с участием оператора) управления; телеуправляемый привязной (с оптоволоконным кабелем и манипулятором) (1996 г.); "солнечный" (САНПА), т.е. с питанием от солнечных батарей (1998 - 2000 г.) - последний был выполнен нами по контракту с Институтом автономных подводных систем (AUSI), США. К тому же классу относятся буксируемые устройства для больших и малых глубин, а также автономный подводный робот "ММТ-3000", т.е. малый морской технолог для глубин до 3000 м, построенный в 2007 г. и предназначенный для широкого круга работ (съемки и картографирования рельефа дна с целью планирования прокладки трубопроводов, кабелей, разведки полезных ископаемых на дне и в толще грунта, экологических исследований, поисковых операций).
Из перечисленных особый интерес у специалистов вызывает "солнечный" аппарат. Он обладает повышенной (а в принципе неограниченной) автономностью и представляет собой измерительную платформу длительного срока действия в глобальной автономной сети океанологических измерений. Последнюю усилиями международного сообщества начали разрабатывать полтора десятилетия назад и в настоящее время она расширяется в рамках скоординированных программ. Идея повышения автономности подводных роботов на основе новых энерготехнологий занимала умы ученых уже много лет, но лишь в последнее время достигнут ощутимый прогресс в этом направлении. Исключительно заманчивой выглядит возможность использовать для данных задач неисчерпаемую энергию окружающей среды. Одним из первых такую мысль высказал в середине 1990-х годов академик Михаил Агеев. Так возникла концепция, согласно которой для достижения поставленных целей пригодны необитаемые аппараты, утилизирующие энергию солнечного света, ветра и морских волн. У этой идеи нашлись сторонники за рубежом, и между Михаилом Агеевым и руководителем AUSI доктором Ричардом Блидбергом установились творческие связи, что привело к созданию под их руководством близких по конфигурации образцов "солнечных" аппаратов.
В результате многолетнего опыта специалисты нашего института достигли мирового уровня и приобрели неоценимый опыт сотрудничества с ведущими отечественными научно-исследовательскими и конструкторскими организациями. Вот почему созданные в последние годы автономные подводные аппараты "МТ-98", "Клавесин" аккумулировали в себе многие современные достижения в электронике, энергетике, модульной архитектуре систем, навигации, управлении. И академик Агеев до последних дней жизни (2005 г.) возглавлял эти работы, был главным конструктором проектов, научным руководителем проводимого поиска. А его преемником на посту директора стал доктор технических наук Леонид Наумов.
Особое значение в этот период приобрели работы, связанные с освоением Арктического континентального шельфа, поскольку в последнее время резко возрос интерес к ресурсам, таящимся тут в недрах морского дна. Практика показывает, что для изучения батиметрических, физических и геоморфологических характеристик дна Северного Ледовитого океана в условиях сплошного ледового покрытия на большой площади перспективнее всего применение подводных робототехнических средств, действующих с бортов ледоколов. Первый такой опыт был накоплен в 2007 г., когда экспедиция на атомном ледоколе "Россия" с использованием аппарата "Клавесин" за короткий срок выполнила исследования геологических характеристик дна в районе хребта Ломоносова* на площади свыше 50 км на глубинах 1400 - 1600 м. Впрочем, свою эффективность этот робот доказал еще раньше, в 2005 - 2007 гг., в процессе испытаний и опытной эксплуатации в Японском, Охотском и Баренцевом морях. Тогда же получила развитие новая методология роботизированного комплекса для выполнения крупномасштабных морских поисковых работ, профилирования грунта, освещения подводной обстановки, инспекции и охраны акваторий и морских инфраструктур в прибрежных и глубоководных районах океана и подо льдом. В упомянутом комплексе могут взаимодействовать группировки подводных роботов на основе гидроакустической, оптоволоконной и спутниковой связи. В настоящее время в этом направлении институт проводит многоплановые изыскания при сотрудничестве с рядом ведущих научных и производственных организаций страны.
ТЕХНОЛОГИИ БУДУЩЕГО
Отметим некоторые приоритетные направления, определяющие облик будущих подводных технологий.
Прежде всего, как уже было сказано, это развертывание широкомасштабных систем наблюдения и глобального долговременного мониторинга морских акваторий, рельефа дна, геологических образований, биологических объектов и гидрофизических полей. Практика показывает: автономные или телеуправляемые подводные аппараты-роботы, оснащенные
* См.: Ю. Леонов. Важный этап полярных исследований. - Наука в России, 2010, N 1 (прим. ред.).
стр. 13
Аппарат "Клавесин" в полярной экспедиции "Арктика-2007": 1 - спуск аппарата с борта атомного ледокола "Россия"; 2 - фрагмент карты температурного поля в придонной области; 3 - фрагмент батиметрической карты, полученной путем маршрутно-площадной съемки на хребте Ломоносова; 4 - фото арктического дна одного из участков хребта Ломоносова с крупными биологическими объектами в толще ила; 5, 6 - фрагмент обзорной гидролокационной съемки дна и объектов искусственного происхождения на одном из участков хребта Ломоносова; 7, 8 - фрагмент акустической профилограммы дна в прибрежной зоне острова Большой Айнов в Баренцевом море.
комплексом систем для гидролокационной, фототелевизионной, магнитометрической, гидрофизической съемки, - уникальные средства для решения такого рода задач. Полученная с их помощью информация может быть использована для оперативного контроля подводной обстановки, составления карт и планшетов, формирования специализированных баз данных для последующего обобщения и выработки научных и инженерных рекомендаций.
Развитие указанного направления предполагает разработку моделей и методов интеллектуального управления и ориентирования в пространстве, обеспечивающих безопасность и "живучесть" автономных подводных роботов в неопределенных и экстремальных условиях среды. Требуется также повысить возможность навигации и управления для гарантированного приведения подводного робота в заданную точку или область пространства. Актуально в этой связи развитие имитационного моделирующего комплекса. Он позволяет генерировать виртуальную среду, визуализировать движение аппарата и поддерживать в режиме имитации работу сенсорных устройств. Наряду с этим предполагается решение более сложной задачи - объемная реконструкция подводной среды, что необходимо, например, для планирования в реальном времени пространственного маршрута робота средствами его собственного интеллекта.
В последние годы наблюдается тенденция к сближению функциональных свойств автономных и телеуправляемых подводных роботов и появлению универсальных информационно взаимодействующих группировок из относительно простых, надежных и эффективных аппаратов. Вероятно, некоторые из отмеченных проблем найдут свое разрешение в ближайшее время. Так, создание малых автономных аппаратов с энергоемкими и возобновляемыми источниками питания позволит реализовать автоматизированную сеть океанографических измерений и освещения подводной обстановки на обширных просторах Мирового океана. Аналогичные успехи достижимы при создании высокоточных интегрированных систем подводной навигации на основе бортовых автономных, гидроакустических и спутниковых технологий.
Что касается создания "интеллектуальных" подводных роботов с адаптивным поведением в условиях информационной неопределенности и ориентированием в пространстве, то прогресс в этой области может быть особенно ощутим, если учесть темпы, характерные для электроники и компьютерной техники вообще. Построенные в последние годы автономные подводные аппараты во многих отношениях уже могут служить прототипами для техники следующего поколения.
Исследования океанов и морей на больших глубинах невозможны без сложных технических средств и, в частности, необитаемых подводных аппаратов. Сегодня такие интеллектуальные роботы, пригодные для самого широкого круга научных, коммерческих, военных и иных целей, уже не диковинка, какой были всего два-три десятилетия назад, но каждый из них по-своему уникален и требует при его создании решения многих сложных научных и технических проблем.
ГЛУБИНЫ ОКЕАНА - МАНЯЩАЯ "TERRA INCOGNITA"
Первые поколения подводных роботов, появившихся в 70-х годах XX в., предназначались прежде всего для выполнения обзорно-поисковых задач - обеспечения, в частности, эхолокационной и фотографической съемки дна с целью обнаружения объектов, потерпевших аварию в морской пучине. Более поздние образцы разрабатывали и для других нужд - геологической разведки, топографической съемки рельефа дна (примером служит автономный подводный аппарат "Hugin", построенный в норвежском центре подводных технологий в 1995 - 1998 гг. и предназначенный для работ на глубинах до 3000 м). Подобные аппараты могут иметь огромное значение при поиске полезных ископаемых в районах морей и океанов, отличающихся исключительным разнообразием форм рельефа дна, активными процессами вулканической деятельности. Актуально их использование и для детального изучения гидротермальных систем, располагающихся на склонах подводных вулканов, в разломах земной коры. Обширные работы в этом направлении проводятся, в частности, в Республике Корея. Для разведки железомарганцевых конкреций в Микронезии в 1998 г. специалисты использовали автономный необитаемый подводный аппарат "ОКРО-6000", созданный по совместному (с фирмой DAEWOO) российско-корейскому проекту.
стр. 9
Практический опыт разработки подводных роботов для указанных нужд пока еще довольно беден, требуются сложные технические эксперименты. Кроме перечисленных задач, автоматические устройства могут помочь в изучении активных процессов в районах колоссального скопления газовых гидратов, например, в Охотском море. Это направление сегодня одно из наиболее приоритетных как в отношении геологических перспектив добычи крайне важных для человечества энергетических ресурсов, так и экологического мониторинга водной среды.
К числу наиболее трудоемких для необитаемых подводных аппаратов относятся исследовательские океанографические задачи, связанные с широкомасштабными измерениями параметров среды в водной толще и вблизи дна. В настоящее время уже существует широкий класс многоцелевых роботизированных комплексов для этих целей как на шельфе, так и на больших глубинах. Примером служат созданные в США в 1990 - 2000-е годы "Odyssey" (Массачусетсский технологический институт), "Ocean Nfoyager", "Ocean Explorer" (Флоридский океанографический университет), "REMUS" (Океанографический институт Woods Hole), применявшиеся в исследованиях в Мексиканском заливе, вблизи Антарктиды, а также в военных целях, в частности, для поиска мин в Персидском заливе. В перспективе на основе этих интеллектуальных роботов предполагается изучение активных придонных источников (в том числе гидротермалей), мониторинг водной среды.
В США в последние годы проведены первые опыты по совместному использованию нескольких аппаратов для изучения приливно-отливных процессов, глубинной конвекции и ряда других динамических явлений в океане. Вместе с тем руководители перечисленных работ отмечают: из-за пространственной и временной изменчивости океана и больших масштабов исследуемых явлений полную их картину, а также прогноз получить таким способом не удается. Вот почему актуально развертывание широкомасштабных систем наблюдения и глобального долговременного экологического мониторинга, предполагающего, в частности, измерение гидробиологических, гидрохимических и гидрофизических параметров водной среды с последующим картографированием данных. При сборе такого рода информации автоматы наиболее эффективны в придонных слоях, включая замеры с помощью датчиков содержания кислорода, солености, температуры, электропроводности, мутности воды, концентрации хлорофилла. И очевидно, что для выполнения подводными роботами перечисленных многообразных функций их надо оснастить многопроцессорной бортовой вычислительной сетью, способной к изменению конфигурации в зависимости от поставленных задач. В их числе могут быть и военные: зарубежные публикации свидетельствуют о разработке соответствующих роботизированных комплексов крупными корпорациями США и Европы.
ИДЕИ, ВОПЛОЩЕННЫЕ В МЕТАЛЛ
Отечественный опыт создания автономных необитаемых подводных аппаратов показателен как пример решения научно-технической проблемы, возникшей на стыке теории систем управления, робототехники, океанографии, морских технологий. Работы в данной области начали в 1972 г. в Институте автоматики и процессов управления Дальневосточного научного центра АН СССР. В 1988 г. на базе отдела, руководимого доктором технических наук Михаилом Агеевым (академик с 1992 г.), был организован Ин-
стр. 10
ститут проблем морских технологий ДВО РАН. За прошедшие почти 40 лет внедрено в практику свыше 20 типов роботов, способных выполнять разнообразные операции в океане, подо льдом, на шельфе и в прибрежных акваториях. Сложный путь научного поиска от макетных образцов до глубоководных комплексов представлен в трудах, подготовленных нашими учеными, например, в монографии под редакцией Михаила Агеева "Автономные подводные роботы. Системы и технологии" (М.: Наука, 2005, 398 с). На начальном этапе (мировой опыт создания подобной техники к тому времени был очень беден) ставили цель изготовить простейшие устройства для использования их на шельфовых глубинах в качестве носителей аппаратуры для сбора и накопления информации о внешней среде. Реализуя эту задачу, сотрудники нашего института создали первый в стране автоматический необитаемый подводный аппарат "Скат" (1974 г.). С его участием проводилась гидрохимическая съемка на озере Байкал в районе, примыкающем к целлюлозно-бумажному комбинату. В ходе этого экологического эксперимента отрабатывали также методику траекторных измерений локальных физических полей, вели съемку рельефа дна.
Приобретенный опыт в дальнейшем пригодился при конструировании аппарата "Скат-гео" (1976 г.), предназначавшегося для геодезических измерений и фотосъемки морского дна на шельфе. Предварительные оценки показали, что при установке на аппарат высокоточного гравиметра* можно в несколько раз повысить точность измерений, производимых с борта обычных судов и подводных лодок. Заключительные испытания "Скат-гео" прошли летом 1978 г. на геодезическом полигоне в Белом море и подтвердили все заданные параметры. Впоследствии он находился
* Гравиметр - прибор для измерения ускорения силы тяжести. Гравиметрическая съемка используется для решения геофизических и геологических задач (прим. ред.).
стр. 11
Цикл работы "солнечного" аппарата: подзарядка системы энергопитания в дневное время, выполнение рабочей программы на глубине ночью.
в пользовании Центрального научно-исследовательского института геодезии, аэросъемки и картографии. В 1991 - 1992 гг. после реконструкции применялся для обследования запасов марикультуры вблизи тихоокеанского побережья на Дальнем Востоке.
Основное достижение следующего этапа (1976 - 1985 гг.) - внедрение модульной технологии, предполагающей унификацию узлов и элементов аппаратов различного назначения и создание в нашем институте на ее основе глубоководного (до 6000 м) робототехнического комплекса. Испытания вошедших в его состав буксируемого и двух автономных аппаратов "Л-1" и "Л-2" с глубиной погружения 2000 и 6000 м соответственно, а также навигационного и вспомогательного оборудования состоялись в 1979 - 1980 гг. в Японском и Филиппинском морях. С того времени их интенсивно использовали на практике в различных районах Мирового океана; в ряде случаев это было связано с трагическими событиями. Например, в 1982 - 1983 гг. они участвовали в детальном обследовании района гибели советской атомной подводной лодки "К-8" на глубине свыше 5000 м в северной части Атлантики, а затем места катастрофы южнокорейского самолета вблизи острова Сахалин. В 1987 г. с их помощью обследовали атомную подводную лодку "К-219", потерпевшую аварию в Саргассовом море вблизи Бермудских островов. Весной 1989 г. глубоководный комплекс скрупулезно обследовал атомную субмарину "Комсомолец", затонувшую в Норвежском море. Причем из-за отсутствия достоверной информации о ее положении в начале поисковой операции применили буксируемый надводным судном аппарат, оснащенный гидролокатором бокового обзора и радиометром. На втором этапе место аварии обследовали обитаемые аппараты "Мир-1" и "Мир-2"*, базировавшиеся на научно-исследовательском судне "Академик Мстислав Келдыш", куда передали всю предварительно полученную информацию. А на заключительном этапе использовали автономный необитаемый аппарат "Л-2", совершивший 17 глубоководных погружений, в результате чего удалось получить около 1000 информативных фотоснимков.
Следующий уникальный подводный робот "Тифлонус" в институте начали проектировать в 1986 г. с учетом повышенной автономности для выполнения геофизических исследований в условиях Арктики. На нем отрабатывали новые бортовые системы, с его помощью производили экспериментальные акустические и гравиметрические измерения. В частности, было показано: погрешность измерений вертикальных ускорений с борта этого аппарата составляет единицы процентов от искомой величины, что на порядок выше, чем при решении таких задач с помощью судов и подводных лодок.
В 1988 г. по собственной инициативе в институте разработали автономный аппарат "МТ-88", в структуре которого получили развитие бортовые модули унифицированного состава и многопроцессорная система управления на основе локальной вычислительной сети. Его глубоководные испытания состоялись в Тихом океане в районе разлома Кларион-Клиппертон (северная приэкваториальная область Северо-Восточной котловины между 7 и 18° с.ш.) и были совмещены с обследованием участков дна с залежами железомарганцевых конкреций. Изыскания проводили в соответствии с договором о научно-техническом сотрудничестве, заключенным институтом с международной организацией "Интерокеан-металл".
В 1991 - 1995 гг. наши сотрудники в кооперации с китайскими партнерами из Института автоматики Академии наук КНР (город Шеньян) создали необитаемый аппарат "CR-01", предназначенный для оке-
* См.: А. Лисицын, А. Сагалевич. Академический подводный флот. - Наука в России, 1997, N 2; Главное открытие в океане. - Наука в России, 2001, N 1 (прим. ред.).
стр. 12
анографических исследований и поиска полезных ископаемых на глубинах до 6000 м. В его комплект входили измерители параметров водной среды, гидролокатор бокового обзора, видеосистема, акустический профилограф морского дна. В 1995 г. он успешно прошел испытания в Тихом океане и затем использовался как исследовательская платформа. Позднее наши и китайские специалисты спроектировали и построили "CR-02", по структуре аналогичный предыдущему. В числе международных проектов с участием института и уже упоминавшийся российско-корейский "ОКРО-6000".
Кроме перечисленных "больших" (массой свыше 1000 кг) подводных роботов, сотрудники института разработали и изготовили ряд "малых" (массой менее 500 кг). Среди них автономно-привязной аппарат "TSL" (1994 г.) для обследования протяженных водоводов (туннелей), способный работать в режимах автономного и супервизорного (с участием оператора) управления; телеуправляемый привязной (с оптоволоконным кабелем и манипулятором) (1996 г.); "солнечный" (САНПА), т.е. с питанием от солнечных батарей (1998 - 2000 г.) - последний был выполнен нами по контракту с Институтом автономных подводных систем (AUSI), США. К тому же классу относятся буксируемые устройства для больших и малых глубин, а также автономный подводный робот "ММТ-3000", т.е. малый морской технолог для глубин до 3000 м, построенный в 2007 г. и предназначенный для широкого круга работ (съемки и картографирования рельефа дна с целью планирования прокладки трубопроводов, кабелей, разведки полезных ископаемых на дне и в толще грунта, экологических исследований, поисковых операций).
Из перечисленных особый интерес у специалистов вызывает "солнечный" аппарат. Он обладает повышенной (а в принципе неограниченной) автономностью и представляет собой измерительную платформу длительного срока действия в глобальной автономной сети океанологических измерений. Последнюю усилиями международного сообщества начали разрабатывать полтора десятилетия назад и в настоящее время она расширяется в рамках скоординированных программ. Идея повышения автономности подводных роботов на основе новых энерготехнологий занимала умы ученых уже много лет, но лишь в последнее время достигнут ощутимый прогресс в этом направлении. Исключительно заманчивой выглядит возможность использовать для данных задач неисчерпаемую энергию окружающей среды. Одним из первых такую мысль высказал в середине 1990-х годов академик Михаил Агеев. Так возникла концепция, согласно которой для достижения поставленных целей пригодны необитаемые аппараты, утилизирующие энергию солнечного света, ветра и морских волн. У этой идеи нашлись сторонники за рубежом, и между Михаилом Агеевым и руководителем AUSI доктором Ричардом Блидбергом установились творческие связи, что привело к созданию под их руководством близких по конфигурации образцов "солнечных" аппаратов.
В результате многолетнего опыта специалисты нашего института достигли мирового уровня и приобрели неоценимый опыт сотрудничества с ведущими отечественными научно-исследовательскими и конструкторскими организациями. Вот почему созданные в последние годы автономные подводные аппараты "МТ-98", "Клавесин" аккумулировали в себе многие современные достижения в электронике, энергетике, модульной архитектуре систем, навигации, управлении. И академик Агеев до последних дней жизни (2005 г.) возглавлял эти работы, был главным конструктором проектов, научным руководителем проводимого поиска. А его преемником на посту директора стал доктор технических наук Леонид Наумов.
Особое значение в этот период приобрели работы, связанные с освоением Арктического континентального шельфа, поскольку в последнее время резко возрос интерес к ресурсам, таящимся тут в недрах морского дна. Практика показывает, что для изучения батиметрических, физических и геоморфологических характеристик дна Северного Ледовитого океана в условиях сплошного ледового покрытия на большой площади перспективнее всего применение подводных робототехнических средств, действующих с бортов ледоколов. Первый такой опыт был накоплен в 2007 г., когда экспедиция на атомном ледоколе "Россия" с использованием аппарата "Клавесин" за короткий срок выполнила исследования геологических характеристик дна в районе хребта Ломоносова* на площади свыше 50 км на глубинах 1400 - 1600 м. Впрочем, свою эффективность этот робот доказал еще раньше, в 2005 - 2007 гг., в процессе испытаний и опытной эксплуатации в Японском, Охотском и Баренцевом морях. Тогда же получила развитие новая методология роботизированного комплекса для выполнения крупномасштабных морских поисковых работ, профилирования грунта, освещения подводной обстановки, инспекции и охраны акваторий и морских инфраструктур в прибрежных и глубоководных районах океана и подо льдом. В упомянутом комплексе могут взаимодействовать группировки подводных роботов на основе гидроакустической, оптоволоконной и спутниковой связи. В настоящее время в этом направлении институт проводит многоплановые изыскания при сотрудничестве с рядом ведущих научных и производственных организаций страны.
ТЕХНОЛОГИИ БУДУЩЕГО
Отметим некоторые приоритетные направления, определяющие облик будущих подводных технологий.
Прежде всего, как уже было сказано, это развертывание широкомасштабных систем наблюдения и глобального долговременного мониторинга морских акваторий, рельефа дна, геологических образований, биологических объектов и гидрофизических полей. Практика показывает: автономные или телеуправляемые подводные аппараты-роботы, оснащенные
* См.: Ю. Леонов. Важный этап полярных исследований. - Наука в России, 2010, N 1 (прим. ред.).
стр. 13
Аппарат "Клавесин" в полярной экспедиции "Арктика-2007": 1 - спуск аппарата с борта атомного ледокола "Россия"; 2 - фрагмент карты температурного поля в придонной области; 3 - фрагмент батиметрической карты, полученной путем маршрутно-площадной съемки на хребте Ломоносова; 4 - фото арктического дна одного из участков хребта Ломоносова с крупными биологическими объектами в толще ила; 5, 6 - фрагмент обзорной гидролокационной съемки дна и объектов искусственного происхождения на одном из участков хребта Ломоносова; 7, 8 - фрагмент акустической профилограммы дна в прибрежной зоне острова Большой Айнов в Баренцевом море.
комплексом систем для гидролокационной, фототелевизионной, магнитометрической, гидрофизической съемки, - уникальные средства для решения такого рода задач. Полученная с их помощью информация может быть использована для оперативного контроля подводной обстановки, составления карт и планшетов, формирования специализированных баз данных для последующего обобщения и выработки научных и инженерных рекомендаций.
Развитие указанного направления предполагает разработку моделей и методов интеллектуального управления и ориентирования в пространстве, обеспечивающих безопасность и "живучесть" автономных подводных роботов в неопределенных и экстремальных условиях среды. Требуется также повысить возможность навигации и управления для гарантированного приведения подводного робота в заданную точку или область пространства. Актуально в этой связи развитие имитационного моделирующего комплекса. Он позволяет генерировать виртуальную среду, визуализировать движение аппарата и поддерживать в режиме имитации работу сенсорных устройств. Наряду с этим предполагается решение более сложной задачи - объемная реконструкция подводной среды, что необходимо, например, для планирования в реальном времени пространственного маршрута робота средствами его собственного интеллекта.
В последние годы наблюдается тенденция к сближению функциональных свойств автономных и телеуправляемых подводных роботов и появлению универсальных информационно взаимодействующих группировок из относительно простых, надежных и эффективных аппаратов. Вероятно, некоторые из отмеченных проблем найдут свое разрешение в ближайшее время. Так, создание малых автономных аппаратов с энергоемкими и возобновляемыми источниками питания позволит реализовать автоматизированную сеть океанографических измерений и освещения подводной обстановки на обширных просторах Мирового океана. Аналогичные успехи достижимы при создании высокоточных интегрированных систем подводной навигации на основе бортовых автономных, гидроакустических и спутниковых технологий.
Что касается создания "интеллектуальных" подводных роботов с адаптивным поведением в условиях информационной неопределенности и ориентированием в пространстве, то прогресс в этой области может быть особенно ощутим, если учесть темпы, характерные для электроники и компьютерной техники вообще. Построенные в последние годы автономные подводные аппараты во многих отношениях уже могут служить прототипами для техники следующего поколения.
Опубликовано 11 августа 2014 года
Новые статьи на library.by:
ТЕХНОЛОГИИ:
Комментируем публикацию: ПРИОРИТЕТЫ ПОДВОДНОЙ РОБОТОТЕХНИКИ
подняться наверх ↑
ССЫЛКИ ДЛЯ СПИСКА ЛИТЕРАТУРЫ
По стандарту ВАК Республики Беларусь
Стандарт используется в белорусских учебных заведениях различного типа.
По ГОСТу Российской Федерации
Для образовательных и научно-исследовательских учреждений РФ
Прямой URL на данную страницу для блога или сайта
Предполагаемый источник
Полностью готовые для научного цитирования ссылки. Вставьте их в статью, исследование, реферат, курсой или дипломный проект, чтобы сослаться на данную публикацию №1407767200 в базе LIBRARY.BY.
подняться наверх ↑
ПАРТНЁРЫ БИБЛИОТЕКИ рекомендуем!
подняться наверх ↑
ОБРАТНО В РУБРИКУ?
Уважаемый читатель! Подписывайтесь на LIBRARY.BY в VKновости, VKтрансляция и Одноклассниках, чтобы быстро узнавать о событиях онлайн библиотеки.
Добавить статью
Обнародовать свои произведения
Редактировать работы
Для действующих авторов
Зарегистрироваться
Доступ к модулю публикаций