Автономное роботизированное судно для океанологических исследований

Размещено на http://www.allbest.ru/

Самарский государственный технический университет

автономное роботизированное судно для океанологических исследований

Е.И. Татаренко, Д.А. Балашов

Аннотация

Предложена концепция построения систем для массовых исследований Мирового океана, основанная на использовании автономных роботизированных парусных судов. Сформулированы основные требования к автономным необитаемым исследовательским парусным судам. Рассмотрены возможные подходы к решению основных проблем их разработки и реализации. океан автономный роботизированный парусный

Ключевые слова: Мировой океан, мониторинг, автономные робототехнические комплексы, парус.

Основная часть

В настоящее время при создании новейших технических средств исследования и освоения океана нет альтернативы разработке автономных необитаемых подводных и надводных средств. Речь идёт о создании автономных робототехнических комплексов, ориентированных на самостоятельное выполнение долговременных "интеллектуальных" программ в открытом океане.

Одним из интересных и перспективных направлений в исследовании океана является создание роботизированных кораблей, предназначенных для постоянного мониторинга Мирового океана, измерения гидробиологических, гидрохимических и гидрофизических параметров среды, исследований приповерхностного слоя атмосферы с последующим картографированием данных.

Создание небольших, дешёвых и эффективных автономных судов с возобновляемыми источниками энергии позволит сделать исследования океана намного более дешёвыми, а значит, и массовыми; даст возможность реализовать автоматизированные сети океанографических измерений. Учёные смогут следить за состоянием океана на больших его пространствах в режиме реального времени.

Очевидно, что инновации, связанные с созданием указанных аппаратов, диктуются не только конкретными требованиями тех или иных проектов и программ морских исследований, но и необходимостью выполнения перспективных исследований по их типам, методике использования, структуре, основным их системам, алгоритмам функционирования и пр.

Целью исследований является разработка общей концепции построения и использования автономных роботизированных систем (судов) для массовых океанологических исследований, разработка структуры системы, необходимого состава аппаратуры, алгоритмов её функционирования и, в конечном итоге, создание опытного образца.

Краеугольная проблема, определяющая степень автономности, а значит, и потенциальную эффективность подобного рода аппаратов, - это проблема выбора источников энергии для их перемещения в пространстве и работы всех бортовых устройств.

В последние десятилетия практически во всех ведущих развитых странах успешно реализуются проекты по использованию энергии ветра в качестве главного или вспомогательного источника для целого ряда групп судов: транспортных, круизных, исследовательских и пр. [1].

Парус, непосредственно преобразующий энергию ветра в движущую силу, является идеальной энергетической установкой со всех точек зрения: экономической - наивысший КПД, инженерной - самая простая конструкция движителя, экологической - абсолютная нейтральность по отношению к природе и человеку и хозяйственной - использование даровой и возобновляемой энергии.

Сформулируем основные, системообразующие требования к автономным необитаемым исследовательским парусным судам.

Будем называть их "робоутами" по названию австрийской победительницы одной из регат роботизированных яхт. Это название может стать эталонным для подобных кораблей - как "ксерокс" стало нарицательным, обозначающим любые копировальные машины.

1. Робоут должен представлять собой небольшое (3-6 м длиной) судно, приводимое в движение энергией ветра.

Указанные габариты, с одной стороны, вполне достаточны для плавания судна в открытом океане, а с другой стороны, удобны для выполнения операций спуска-подъёма с судна-носителя небольшого водоизмещения. На аппарате таких размеров уже достаточно места для размещения устройств автоматики, электронного оборудования, средств связи, навигации, измерительной аппаратуры, источников питания и пр.

2. Парусное вооружение робоута должно быть сравнительно эффективным, но простым для выполнения механизированных операций подъёма, спуска, рифления, обезветривания и хранения в условиях шторма.

3. Корпус робоута должен быть герметичным, прочным, чтобы противостоять действию обрушивающихся волн, обладать непотопляемостью, иметь высокие гидро- и аэродинамические свойства, высокий восстанавливающий момент. Покрытие корпуса должно обеспечивать эффективную защиту от обрастания.

4. Робоут должен иметь высокоточную и надёжную систему навигации.

5. Система связи робоута должна обеспечивать возможность двустороннего оперативного обмена командной и измерительной информацией с Центром слежения и управления в любых погодных условиях и на любом удалении от него.

6. Система управления робоутом должна быть интеллектуализованной, т.е. обеспечивать самостоятельное перемещение аппарата по заданному маршруту и его поведение, учитывающие текущие погодные условия, навигационную и общую обстановку и состояние аппарата. Система управления должна позволять оператору Центра слежения и управления в любое время вмешаться в ход выполнения программы исследований для её изменения и корректировки.

7. Система энергопитания робоута должна обеспечивать бесперебойную работу всех электромеханических и электронных устройств. Для этого она должна предусматривать возможность подзарядки аккумуляторных батарей непосредственно в ходе выполнения программы исследований.

8. Информационно-измерительная система робоута должна обеспечивать получение оперативной информации о состоянии устройств и механизмов аппарата, положении его в пространстве, параметрах окружающей среды, навигационной обстановке, а также о тех параметрах атмосферы и воды, которые составляют суть исследовательской программы аппарата.

9. Робоут проектируется как универсальный носитель специальной измерительной аппаратуры. Поэтому основным принципом построения самого аппарата и его устройств должен быть блочно-модульный принцип.

10. Все устройства и системы робоута должны быть по возможности промышленного изготовления на основе международных стандартов, что возможно сегодня благодаря корпоративности и участию в разработках морской аппаратуры специализированных фирм. Самодельными должны быть лишь разработки, не имеющие соответствующих аналогов.

Для создания автономных парусных исследовательских судов необходимо решение ряда принципиальных научно-технических вопросов:

- выбор оптимального архитектурного типа судна,

- решение проблем остойчивости и безопасности,

- решение вопросов механизации и автоматизации постановки, уборки, рифления и управления парусами,

- решение проблем электропитания исполнительных механизмов и электронной аппаратуры,

- решение проблем навигации,

- решение проблем организации связи с Центрами управления,

- решение проблем адаптивного к окружающей обстановке и интеллектуального управления как в открытом океане, так и в условиях навигационных опасностей, в узкостях и пр.,

- и др.

Рассмотрим возможные подходы к решению основных указанных проблем.

1. Выбор архитектурного типа судна

Скорость судна зависит от размеров и обводов корпуса, а также от типа и мощности ветроэнергетической установки. Ветер может приводить в движение судно либо с помощью ветряных движителей, либо ветряных двигателей. Собственно "парусными" называют суда, приводимые в движение непосредственно давлением ветра на паруса разных видов [1].

Ветродвигатели по сравнению с ветродвижителями (парусами и крыльями) отличаются существенным преимуществом - дают возможность двигаться под более острыми углами к ветру и прямо против ветра. Однако на судах с ветродвигателями энергия дополнительно теряется в трансмиссии и гребном винте. К тому же конструкция судна с ветродвигателем гораздо сложнее, а значит, такое судно будет существенно дороже, чем парусное. Поэтому на судах, приводимых в движение ветром, наиболее целесообразно сегодня использовать обычные мягкие, полужёсткие и жёсткие крылья.

Имеется множество изобретений, улучшающих работу обычных мягких парусов и повышающих их эффективность. Это делает обычный парус весьма перспективным для применения на парусных судах, по крайней мере, ближайшего будущего.

Теоретическая зависимость скорости v парусного судна от основных факторов

,

где V - скорость истинного ветра;

К_п = Y/X - аэродинамическое качество парусов (с учётом сопротивления надводной части судна);

б - истинный курсовой угол;

К_с = D₀/R ? l/h_п - комплексное гидродинамическое качество подводной части судна (D₀ - водоизмещение судна в прямом положении при исходной осадке;

l - плечо поперечной остойчивости судна;

R - сопротивление судна в воде в направлении движения со скоростью v;

h_п - расстояние от центра давления ветра на паруса до центра сопротивления воды в прямом положении судна) [2].

Её анализ показывает, что в борьбе за скорость парусных судов существуют следующие основные пути:

- увеличение вертикального гидродинамического качества судна (снижение продольного сопротивления воды);

- увеличение остойчивости судна (снижение плеча кренящего момента и увеличение плеча остойчивости);

- увеличение аэродинамического качества парусов и надводной части судна (повышение подъёмной силы паруса и снижение лобового сопротивления судна).

Отмеченные выше соображения лежат в основе проектирования современных гоночных парусных судов - с лёгкими широкими дельтавидными глиссирующими корпусами и парусами высокого удлинения. Поэтому прототипом робута может служить судно со швертботными обводами и плавниковым килем высокого удлинения.

Большой интерес яхтенных конструкторов вызывает сегодня парусное вооружение "Dynarig". Это не что иное, как мягкий парус, устанавливаемый на поворотных мачтах с механизированной постановкой и уборкой полотнищ.

Преимущества этого вооружения заключаются, в первую очередь, в его близости к идеальному с точки зрения аэродинамики крылу в плане. Одним из преимуществ является очень небольшая нагрузка, действующая на паруса и их шкаторины. Теоретические аспекты работы вооружения "Dynarig" тоже просчитаны очень хорошо и проверены продувками в аэродинамической трубе [3].

Но самой привлекательной чертой "Dynarig" конструкторы сегодня считают лёгкость обращения с ним.

2. Источники энергии

Наиболее важными эксплуатационными характеристиками автономного необитаемого аппарата являются собственно его автономность и дальность хода, которые определяются запасом энергии для перемещения и работы судовых устройств.

При ходе парусного судна с сильными ветрами имеется избыток энергии ветра, который можно запасти впрок. Одним из наиболее проработанных на сегодня является способ переработки и хранения силы ветра в виде электрической энергии, хотя возможно использование и любых более эффективных по энергоёмкости аккумуляторов, созданных в последние годы, например, химических, инерционных и др.

Для превращения энергии динамического напора ветра в энергию вращения может использоваться ветродвигатель любого типа, приводящий в движение электрогенератор постоянного тока. В настоящее время предложен целый ряд таких систем.

Вместо ветрогенераторов может применяться гидротурбина, приводимая в движение ходом судна. В качестве такой турбины вполне пригоден гребной винт регулируемого шага. Этот способ имеет то преимущество, что позволяет освободить палубу судна от громоздких ветрогенераторов, мешающих работе парусов. Поскольку плотность воды в 800 раз больше плотности воздуха, гребной винт небольшого размера вырабатывает за счёт хода судна значительную мощность. Недостаток этой системы - она может работать только на ходу судна.

Для бесперебойного функционирования аппаратура робоута должна быть застрахована от капризов ветра и случайностей погоды. Поэтому при благоприятных для выработки электроэнергии гидрометеоусловиях избыток энергии океана целесообразно запасать впрок.

Анализ возможности использования других видов энергии океана, кроме энергии ветра, показал, что вполне реальными источниками пополнения запаса энергии робоута могут быть солнечная энергия, энергия волн, а также водоактивируемые батареи.

Интенсивность солнечной энергии на поверхности океана составляет несколько киловатт-часов на квадратный метр в сутки. В последние годы промышленностью достигнуты значительные результаты в повышении эффективности солнечных панелей: КПД их экспериментальных образцов приближается к 35%. Тот факт, что аккумуляция солнечной энергии возможна лишь в светлое время суток, в сущности, не является препятствием.

Весьма перспективный вид энергии Мирового океана - энергия волн. Судно, качающееся на волнах, обладает запасом колебательной энергии. Так, согласно [4], мощность, развиваемая при качке судна массой 300 кг с периодом колебаний 5 с и высотой подъёма центра тяжести судна на волне, равной 1 м, составляет 1200 Вт.

Хорошо известны водоактивируемые батареи. Наиболее распространена система "магнийхлористая медь". Энергоёмкость таких батарей превышает 100 Втч/кг. К недостаткам их относят саморазряд после активации в морской воде и невозможность повторного использования. Такие батареи можно применять в качестве резервных.

3. Механизация и автоматизация

На автономном роботизированном судне все эксплуатационные работы с парусным вооружением должны быть механизированы. Это постановка и уборка парусов, обезветривание их при опасном крене или в шторм, рифление парусов, управление углом атаки паруса и т.д. Механизировано должно быть и управление рулём.

Наиболее просто механизировать работу жёстких парусов. Это не выходит за рамки обычных задач проектирования крыльев самолётов, поэтому при разработке механизированного паруса-крыла может использоваться богатый опыт авиации.

Мягкие паруса системы "Dynarig" могут втягиваться в мачту или внутрь полых рей. Операции управления крылом, парусом и мачтой можно производить электрическими, гидравлическими или пневматическими приводами.

Парусное судно поворачивает против ветра (поворот "оверштаг") только вследствие собственной инерции, так как паруса в момент перехода линии ветра не работают. Если скорость мала или сильно сопротивление ветра и волн, то поворот может не получиться, так как не хватает инерции судна.

Управляемость в этих ситуациях можно повысить, используя носовое траверзное подруливающее устройство или кормовой активный руль. Подруливающее устройство полезно и для выхода на нужный галс.

4. Состав исследовательской аппаратуры робоута

В зависимости от решаемой задачи комплекс научного оборудования робоута может содержать измерители параметров водной среды и приводного слоя атмосферы. В состав такого комплекса может входить информационно-измерительная система (ИИС) и система технического зрения.

Основу ИИС составляют измерители гидрологических параметров - электропроводности и температуры воды, являющиеся основными при изучении Мирового океана. К измерителям гидрохимических и гидробиологических параметров, которые могут входить в состав ИИС, можно отнести измерители мутности воды, концентрации планктона и хлорофилла, растворённых загрязнителей и пр.

В состав системы технического зрения робоута могут входить разнообразные устройства, обеспечивающие, например, гидроакустический обзор и съёмку дна, выработку визуальной информации, необходимой для управления аппаратом, поисковые измерительные системы и пр.

Кроме исследовательской аппаратуры, робоут должен иметь систему измерения текущих метеопараметров, параметров движения и состояния устройств судна: силы и направления истинного и кажущегося ветра, курса и скорости судна, приращения скорости, положения парусов и руля, силы натяжения шкотов, крена и дифферента, степени заряженности аккумуляторных батарей, наличия воды в трюме и др.

5. Навигационная система

Навигационные средства робоута направлены на решение задач, обеспечивающих надёжную и достоверную навигационную поддержку аппарата различного назначения в различных условиях.

Наибольшее распространение в роботизированных автономных подвижных объектах в настоящее время получили спутниковая и инерциальная навигационные системы.

Однако никакая из них, взятая отдельно, не обеспечивает всех требований к навигационной системе: точности в определении координат, работоспособности в любом месте Мирового океана, независимости от береговых средств и др. Очевидно, что лишь сочетанием различных средств в единой объединённой навигационной системе можно удовлетворить сумму этих требований.

Наиболее совершенной в настоящее время является комбинация инерциальной навигационной системы со спутниковой системой GPS (ГЛОНАСС). Инерциальная система способна отслеживать и непрерывно выводить быстро изменяющиеся значения координат, скорости и ориентации. Данные же системы GPS используют для контроля за накоплением ошибки инерциальной системы, что позволяет такой интегрированной навигационной системе точно указывать координаты и составляющие вектора скорости за длительные интервалы времени и стабилизировать показания инерциальной системы.

Кроме того, робоут может быть оснащён средствами приёма и излучения акустических сигналов в составе системы приведения к борту судна обеспечения.

6. Система связи

Система связи робоута необходима для двустороннего оперативного обмена командной и измерительной информацией с Центром слежения и управления в любых погодных условиях и на любом удалении от него.

В настоящее время имеется большой опыт оборудования судов различными средствами и комплексами связи в соответствии с конвенциями, регламентами и другими международными документами по радиосвязи морской подвижной службы. Основными критериями выбора необходимого оборудования должны быть такие показатели канала связи, как дальность связи, диапазон частот, вид связи, скорость передачи, пропускная способность, полоса частот, занимаемая каналом, а также помехоустойчивость, масса, габариты, потребляемая мощность, время развёртывания и вхождения в связь [5].

7. Общая структура системы управления робоута

Система управления робоутом должна базироваться на учёте всех факторов, влияющих на его скорость. На рисунке представлена схема этих факторов, составленная по функциональному признаку.

Основные факторы, влияющие на скорость парусного судна

Конструктивно система управления должна строиться на базе локальной вычислительной сети из готовых процессорных модулей индустриального назначения. ЛВС создаёт единую структуру, состоящую из компьютеров автопилота, системы измерений, системы технического зрения, различных бортовых устройств, функционирующих на базе микроконтроллеров различных типов.

Для организации сети должны использоваться как высокопроизводительные каналы обмена (Ethernet), так и относительно низкоскоростные последовательные каналы.

Основные требования к выбору бортового компьютера: малые габариты; пониженное энергопотребление (желательно напряжение одного номинала); функциональная завершённость; ремонтопригодность; жёсткие условия эксплуатации - расширенный диапазон рабочих температур -20…+70°С, функционирование в замкнутом объёме, напряжённый тепловой режим, повышенная влажность - до 95% без конденсации влаги (оперативный ремонт в морских условиях); вибрация/удары до 5/20 g.

Для решения задач нижнего уровня (сопряжение с датчиками, управление исполнительными устройствами) можно применять микроконтроллеры с различной степенью функциональной интеграции, производительностью, объёмом встроенной памяти.

Распределённая структура системы управления требует применения операционной системы реального времени с сетевой поддержкой. При выборе операционной системы для ЛВС робута следует принимать во внимание множество факторов. Основные из них: минимальные требования OC к вычислительным ресурсам, поддержка распределённых вычислений, поддержка модифицируемости ЛВС, поддержка механизма приоритетов и системных таймеров, надёжность и предсказуемость системы, простота реализации и широта использования.

В соответствии со сказанным можно использовать ОС QNX.

8. Интеллектуализация робоута

При проведении исследований в Мировом океане принципиальное значение имеет степень информационной автономности аппарата, т.е. его способность самостоятельно действовать в неизвестной или недостаточно определённой среде.

В настоящее время программы для автономных аппаратов формируются с использованием императивных (текстовых или графических) методов программирования, детально описывающих последовательность действий аппарата, которые нужно совершать для достижения требуемой цели.

При этом представление о самой цели имеет только оператор Центра слежения и управления, который составляет программу-задание.

Такая технология эффективна, если программа исследований осуществляется в рамках априорного жёсткого сценария. В условиях неполной или недостоверной информации об окружающей среде, при деградации части систем (отказах, авариях) или необходимости целенаправленной реконфигурации (восстанавливающего или развивающего управления) программа исследований может либо вообще не выполниться, либо выполниться с большими нарушениями и угрозой безопасности аппарата. Поэтому для выполнения исследований при непредвиденных обстоятельствах исключительное значение имеет интеллектуализация системы управления робоутом. Интеллектуализация поведения автономного аппарата подразумевает также способность системы управления осуществлять функции анализа сцен и общей обстановки, навигации, ориентирования на местности, сбора и накопления разнообразной информации об окружающей среде.

Важным аспектом реализации подобной системы управления является режим реального времени, требующий применения эффективных в вычислительном отношении алгоритмов.

Таким образом, проведённый анализ показал, что современный уровень развития средств электронной, вычислительной и информационно-измерительной техники, информационных технологий, технологий связи, появление новых сверхпрочных и лёгких материалов создают реальные предпосылки для разработки описанных выше роботизированных исследовательских комплексов, широкое внедрение которых может сделать океанографические исследования глобальными, непрерывными и по-настоящему массовыми.

Библиографический список

1. Крючков Ю.С., Перестюк И.Е. Крылья океана. Л.: Судостроение, 1983. 256 с.

2. Крючков Ю.С. Может ли парусное судно идти быстрее ветра? // Судостроение. 1961. №6. С.43-47.

3. Гроховский А. Вооружение "Dynarig" - каковы перспективы? // Катера и яхты. 2008. №3. С. 64-65.

4. Вершинский Н.В. Энергия океана. М.: Наука, 1986. 152 с.

5. Соловьёв В.И., Новик Л.И., Морозов И.Д. Связь на море. Л.: Судостроение, 1978. 320 с.

Размещено на Allbest.ru