Манипуляторные комплексы для автономных необитаемых подводных аппаратов

скачать статью в .pdf, журнал "Новый оборонный заказ. Стратегии", №3(40)2016 

Активное развитие подводных робототехнических комплексов для обеспечения подводной добычи углеводородов и решения задач в военной области привело к формированию класса автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА).

Учитывая препрограммируемый характер миссий АНПА, базовые задачи в основном сводились к мониторинговым и обследовательским работам на больших площадях (картирование) или линейных объектах донного расположения (кабель-трассы, магистральные трубопроводы). Накопленный опыт работ с АНПА, эволюция технологий и учет экономических факторов со временем вывели АНПА на выполнение работ связанных с точечной донной инфраструктурой: вертикальными и горизонтальными «деревьями» устьевой арматуры, райзерами и якорными линиями, а так же с объектами в приповерхностном и заглубленном положении в водной среде. В последнем случае это дало повод даже выделить отдельный подкласс АНПА - автономный инспекционный аппарат (Autonomous Inspection Vehicle (AIV)). Эффективная работа АНПА при решении «классических» и новых задач дала толчок к развитию революционных технологий – реализации функционирования на АНПА манипуляторного комплекса¹, причем не только в технократических целях (добыча углеводородов/военные области), но и для научного сообщества, в части сложнейшего глубоководного отбора проб².

Рис. 1 АНПА «Скат–гео» 1976 г. ИАПУ ДВНЦ АН СССР

Конструкторско-производственное сообщество Российской Федерации также не остается в стороне от происходящего. За последние пять лет активно увеличивается не только количество представляемых моделей подводных робототехнических комплексов, но и количество компаний и организаций, занятых разработкой самих аппаратом и комплектующих к ним, растет качество конференций по системам управления применительно к подводной робототехнике³.

В связи с данными событиями конструкторские коллективы ФГБОУВО «СПбГМТУ» и ЗАО «НПП ПТ «Океанос», ведущие совместную инициативную разработку ряда надводно-подводных морских робототехнических систем^4,5,6, приступили к проработке вопросов перспективного проектирования манипуляторных комплексов для телеуправляемых необитаемых аппаратов (ТПА) II класса и АНПА.

Рис. 2 Совместная проработка рабочих зон манипуляторных комплексов ТПА II класса / АНПА ФГБОУВО СПбГМТУ и ЗАО «НПП ПТ «Океанос»

Выбор данных классов робототехники в качестве носителей разрабатываемых манипуляторных комплексов не случаен. Объединяющими факторами служат «малое водоизмещение» аппаратов (читай «малая полезная нагрузка») и невысокая надводная и подводная остойчивость к присоединяемым массам и изменениям моментов. Если влияние данных факторов возможно частично устранить с помощью активного применения на ТПА движительно-рулевых комплексов (в ручном и полуавтоматических режимах), то для АНПА, ограниченных по запасам электроэнергии на борту, да и в силу конструктивных особенностей, данный путь противопоказан. Как следствие – в результате анализа имеющихся технических решений и теоретических изысканий^7,8,9,10, практического опыта эксплуатации ЗАО «НПП ПТ «Океанос» ТПА II класса типа Н-300 с гидравлическими и электрическими манипуляторными комплексами, и проведенных применительно к АНПА собственных расчетов, признано целесообразным развитие модульного манипулятора с электрическими приводами. Одновременно с выбором типа приводов манипулятора был проведен значительный объем работы по анализу конструктивного исполнения манипуляторного комплекса и его сопряжению/взаимодействию с носителем. Полученные результаты были положены в основу практического проектирования и моделирования ряда манипуляторов в целях первоначальной отработки манипуляторного комплекса для ТПА с дальнейшим сопряжением с гибридным глайдером (АНПА с гидродинамическим принципом движения с периодическим использованием пропульсивной движительной установки и дистанционного управления) и в конечной фазе с полностью автономным АНПА.

Рис. 3 АНПА “GIRONA 500” в тестовом бассейне с противотоком, блоком клапанов, оснащенный манипуляторным комплексом ECA CSIP 5E Micro, 2012 год

Безусловно, кроме проектирования непосредственно исполнительного манипуляторного механизма гораздо большей проблемой представляется обеспечение вопроса программного или программно-дистанционного управления манипуляторным комплексом, но в свете активного развития средств технического зрения и высокоскоростной подводной связи¹¹, вопросы обеспечения работы манипуляторного комплекса АНПА (с ТПА таких вопросов не возникает) представляются решаемыми.

Во всяком случае, к тому моменту, когда отечественное научное сообщество подойдет к практическому решению данного вопроса, планируется уже иметь ряд манипуляторов не только отечественных и пригодных для данных задач, но и практически отработанных на ТПА.

Подобная совместная методика подготовки к решению проблемных задач, осуществляемая ФГБОУВО СПб ГМТУ и ЗАО «НПП ПТ «Океанос», уже положительно себя зарекомендовала, позволив вести отработку на инициативно созданном ходовом стенде «глайдер» таких комплектующих и составных частей подводных робототехнических комплексов, как:

• измеритель скорости течения ИСТ-1М, авторский коллектив Институт Природно-Технических Систем г. Севастополь (ранее ФГБУН «Морской гидрофизический институт РАН»);
• высокоточный приемник давления ПДС-1, АО «НПП «Радар-ММС»;
• высокоточный температурный датчик ПТС-М, АО «НПП «Радар-ММС»;
• гидроакустическая навигация с длиной базой, ОАО «Лаборатория подводной связи и навигации».

Кроме того, учитывая стендовое  исполнение (ходовой стенд) имеющихся и проектируемых ФГБОУВО СПб ГМТУ и ЗАО «НПП ПТ «Океанос» АНПА  и систем управления, в конструкцию и схемотехнику аппаратов заранее закладываются механические и электрические интерфейсы под манипуляторный комплекс и сопутствующее оборудование, что позволит ускорить адаптацию и отработку манипуляторных комплексов АНПА, и не только своей, внутренней разработки.

Ссылки:

1. “Development of an underwater manipulator mounted for an AUV” M. Ishitsuka, 2005, Oceans 2005 MTS/IEEE, Washington D.C.
2. “Development and Testing of a Dexterous Manipulation Capability for Autonomous Undersea Vehicles” Barrett E. Dillow, David L. Akin, Graig R. Carignan, 2009, AIAA Infotech@Aerospace Conference, Seattle
3. www.imtp.febras.ru/tpomo-6-28-sentyabrya-2-oktyabrya-2015-g.html
5. www.oceanos.ru/news/150
6. www.oceanos.ru/news/157
7. www.hydro-lek.com/datasheets/Manipulators/HLK-43000.pdf#view=FitH
8. www.rovinnovations.com/manipulator-arms.html
9. “Virtual kinematic chains to solve the underwater vehicle-manipulator systems redundancy” Carlos H.F. dos Santos, Raul Guenther, Daniel Martins, Edson R. De Pieri, 2006, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, July/Sept.
10. “Autonomous I-AUV Docking for Fixed-base Manipulation” Narcís Palomeras, Pere Ridao, David Ribas, Guillem Vallicrosa, 2014, 19^th World Congress The International Federation of Automatic Control, Cape Town
11. www.unavlab.com