О ПРОЕКТЕ СОЗДАНИЯ ПОДВОДНОГО …jmtp.febras.ru/journal/2-22-2016/4-12.pdf · кам,лубочайшая г точка Мирового океана,днако

4 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2016. № 2(22)

СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

ВВЕДЕНИЕ

Исследование Мирового оке-ана является одной из наиболееприоритетныхинаукоемкихобла-стей человеческой деятельности.Анализ современных тенденцийразвития подводных технологийсвидетельствует о том, что ве-дущие страны мира прилагаютзначительныеусилияк созданиютехническихсредствдляосвоениямалоисследованныхрайоновМи-рового океана. Особое значениеимеют задачи по исследованиюабиссалейиглубоководныхрайо-нов,сформировавшихсяврезуль-тате глобальных геологическихпроцессов.Поэтомуизучениеосо-бенностейихрельефа,структурыдонногогрунта,физическихполейпредставляет большой научныйинтерес.Следуетотметить,чтовсепроведенныеранееисследования

УДК681.883.67.001:621.396.677

О ПРОЕКТЕ СОЗДАНИЯ ПОДВОДНОГО РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО

КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ ГЛУБИН ОКЕАНА

Ю.В. Матвиенко, Л.В. Киселев,  А.В. Инзарцев, О.Ю. Львов

Проект создания подводного робототехнического комплекса для работы на больших и предельных глубинах океана предполагает выработку общих требований, отвечающих назначению аппарата и его способности решать сложные задачи в экстремальных условиях среды. В основу проекта положен многолетний опыт ИПМТ ДВО РАН по созданию и практическому применению глубоководных автономных необитаемых подводных ап-паратов (АНПА) и их систем различного назначения. В научном и прикладном аспектах наибольший интерес вызывают исследования геологического строения дна, гидрологии, геофизических и геохимических процессов, биологического разнообразия и ряда других физических свойств глубоководных районов океана. Робототех-нический комплекс, способный решать целиком или частично этот комплекс задач, становится объектом прин-ципиально новой разработки. В проекте рассматриваются проблемы, связанные с оптимальным выбором со-става систем и характеристик комплекса, включающего автономный необитаемый подводный аппарат (АНПА), судовые средства навигации и связи, промерный донный маяк-ответчик, стационарную донную навигационную станцию. Основными объектами исследования и разработки являются особенности конструкции АНПА, нави-гационного обеспечения, информационного взаимодействия, планирования и осуществления рабочих миссий в условиях больших и предельных глубин океана.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий ДВО РАН1

1 690091,Владивосток,ул.Суханова,5а.Тел/факс:(423)243-24-16.E-mail:[email protected]

абиссалейглубоководнымитехни-ческимисредствамихарактеризу-ются«точечными»,разрозненны-миизмерениямилишьотдельныхокеанографических параметров.Внастоящеевремявмиренеттех-нических средств, позволяющихпроводить непрерывные, долгов-ременныеипротяженныеисследо-ванияокеанскогоднанаглубинахболее6000м.Представляетсяоче-видным,чтоврешенииподобныхзадач наиболее эффективно ис-пользование подводных роботов,разработанных с учетом особыхусловий работы в экстремальнойсреде [1,2].Использованиеавто-номныхроботовдаетвозможностьизмерениймногихпараметровнабольшойплощадисточнойкоор-динатнойпривязкой,выполненнойводномвременноммасштабе.

Очень важными остаютсяоценки глубин.Шельфиматери-

ковые отмели характеризуютсяплавным понижением суши доглубины200м.Далее,до3000м,довольнокруто(4–14°)простира-етсяматериковыйсклон,которыйзавершаетсяподножием(доизобат3000–4000м),граничащимсложемокеана(глубинаот4000до6000м).Океанскимихребтами,отдельнымивозвышениямиднаицепочкамигорложеразделяетсянаотдельныекот-ловины[3,4].Наиболееглубокиечастиокеаназанятыглубоководны-мижелобами,максимальныеглу-биныкоторыхпредставленынижеввидетабл.1,аихгеографическоеположениепоказанонарис.1.

В выполненныхнесистемати-зированных исследованиях глу-боководныхрайоновнаибольшийобъемданныхполученпорайону

5ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2016. № 2(22)


Марианскогожелоба,гдерасполо-жена,попредварительнымоцен-кам,глубочайшаяточкаМировогоокеана,однакодажееемаксималь-наяглубина,около11000м,досихпорточнонеустановлена.Мари-анская впадина – глубоководныйжелоб в западной части Тихогоокеана,квостокуиюгуотМари-анскихостровов.ПротяженностьМарианской впадины 1340 км,средняяширина59км.Максималь-наяглубина11022мрасположенав южной части, измерена совет-ским исследовательским судном«Витязь»в1957г.

Всепроведенныеранееиссле-дованияМарианскогожелобаглу-боководными средствами были,можносказать,«точечными».Хо-рошоизвестнопервоепогружениена рекордную глубину 10750 м,выполненноев1960годуЖ.Пик-каромиД.Уолшемнабатискафе«Триест».Погружениеимелоболь-шойрезонанс,нокакой-либонауч-нойценностиононепредставля-ло.Послеэтоготольков1995годуяпонскийподводныйаппаратсди-станционнымуправлением«Kaiko»впервыеопустилсянадноМари-анскогожелобавместе,имеющемглубину 10911 м. В дальнейшемаппарат «Kaiko» использовался

главнымобразомдля биологиче-скихисследованийвМарианскойвпадине. В ходе этих исследова-ний в 2002 году было обнаруже-но множество видов неведомыхнаукеодноклеточныхорганизмов,существующихвнеизменномвидепочтимиллиардлет.В2009годувМарианскуювпадинупогружал-сягибридный(автономно-привяз-ной)аппарат«Nereus»,созданныйвСШАусилияминесколькихорга-низаций.Былипроведенылокаль-ные измерения гидрофизическихи гидрохимических параметров,взятыпробыгрунта.

� Основания и предпосылки создания АНПА для больших и предельных глубинИдеиипроектысозданиямно-

гофункциональных АНПА дляисследованиябольшихипредель-ных глубинокеананеоднократновозникали в течение предшест-вующихлет.Этиидеиипроектыбылиоснованынаопытесозданияипрактическогопримененияпре-емственного ряда обзорно-поис-ковыхиобследовательскихаппа-ратов с глубиной погружения до6000метров[5–8].Наиболеезначи-тельныеуспехибылидостигнуты

присозданииробототехническогокомплекса «Клавесин-1Р» и егоопытной эксплуатации в различ-ныхрайонахМировогоокеана.

Внастоящее время серийныеобразцы АНПА «Клавесин-1Р»эксплуатируются соединениямироссийскоговоенно-морскогофло-та(рис.2).

Впоследнеедесятилетиепред-принималось несколько попытокразработки проекта АНПА дляпроведения исследований в Ма-рианскомглубоководномжелобе.Инициаторами проектов высту-пали Российская академия наук,Русскоегеографическоеобщество,испециалистамиИПМТДВОРАНбыливыполненыоценкиповсемпринципиальным вопросам про-ектированияАНПА.В2015годупроект под названием «Витязь»былрассмотренФондомперспек-

Рис. 1. География расположения глубоководных впадин

Таблица 1. Глубоководные желоба и их максимальные глубины, м

МарианскийТонга

Курило-Камчатский

ФилиппинскийКермадек

Идзу-Бонинский

ЯпонскийПуэрториканский

Перуанско-Чилийский

АлеутскийЗондский

(Яванский)Кайман

109891080010542

10047105409810

841283858055

782074507093

Рис. 2. Серийные образцы АНПА «Клавесин-1Р»

тивных исследований РФ и по-лучил положительную оценкувотношенииметодологииивоз-можностиреализациипроектанаосноветехнологии,разработаннойвИПМТДВОРАН.Внастоящейстатье представлены основныеидеи,научныеитехнологическиепроблемы,связанныесосуществ-лениемпроекта.

� Особенности задач, решаемых с помощью АНПА в глубоководных исследованияхОбласти применения АНПА

для решения океанографическихи поисково-обследовательскихзадач определяются не только



функциональным назначениемтогоилииногопроекта,ноиусло-виямисреды,втомчислеглубинойморской акватории и характеромрельефа дна. В этом отношенииабиссальныерайоныимеютнема-лоособенностей,накладывающихдополнительные требования ковсемэлементамробототехническо-гокомплекса.

В качестве однойиз важней-ших задач следует рассматри-вать создание точных батиме-трических карт глубоководныхрайонов. При этом могут бытьиспользованыужеимеющиесяба-тиметрическиеданныеимоделирельефа,построенныенаосновеэтихданных.Так,американскимиспециалистамив2013годубылапостроенаматематическаямодельплощадкиЧелленджеравМариан-скойвпадине.СпомощьюАНПАможнополучитьпрямыеэкспери-ментальныеданныебатиметрии,которые позволят значительноуточнить этумодельиполучитьответынаважныевопросыпоге-ографииЗемли.

Серьезноезначениеимеетис-следование геологического стро-ения дна глубоководных впадин,особенностеймикрорельфа,геофи-зическихполей,минеральногосы-рья,биологическогоразнообразия.Данныйклассисследованийпред-полагаетиспользованиеАНПАнарасстоянияхотднаотединицдодесятковметров.Поимеющимсяданным, например [3, 4], рельефднавбольшинствеглубоководныхрайоновсформировалсяврезуль-татевулканическойдеятельностииразломоввземнойкоре.Основурельефавомногихместахсостав-ляют подводные горы (гайоты).Микрорельефгайотовизученсла-бо,ионемможносудитьлишьпофотографиямисловеснымописа-ниямгидронавтов[5].

Внижнихпоясах гайотовна-блюдаются осадки, обломки вул-

каническихобразований,поверх-ностьверхнихпоясовопределяетсявосновномвулканическимиобра-зованиями.Кромечистогеологи-ческих задач с помощью АНПАможнопроизводитьоценкузапасовминеральногосырья,образовавше-гося в результате вулканическойдеятельностиилидлительныхфи-зико-химическихпроцессов.Речьможетидтиобоценкезапасовже-лезомарганцевых конкреций, ле-жащихпреимущественнонарав-нинныхучасткахокеанскогодна,ижелезомарганцевыхкорок,обра-зующихсянасвободныхотосадковнаклонныхучасткахгайотов.

АНПА традиционно исполь-зуютсякакдляоперативного,таки долговременного мониторингаводнойсреды.Вэтомотношенииисследованиеглубоководныхвпа-дин имеет лишь ту особенность,чтоввидумалойизученностиболь-шихглубинспектризмеренийдол-женвключатьгеофизические,ги-дрологическиеигидрохимическиепараметры,параметрыдляоценкибиологическихсвойствиэкологи-ческогосостояниясреды.

� Основные научно-технические и технологические проблемы при создании глубоководного робототехнического комплекса

Конструктивно-технологические особенности проектаПрипогруженияхнабольшую

глубинуконструкцияаппаратана-ходитсяподвоздействиемперемен-ногогидростатическогодавления,которое на предельных глубинахсоставляет более одной тысячиатмосфер.Всвязисэтимтребуютсвоегорешениядвепроблемы:

– обеспечениепрочностикон-струкции аппарата при высокомвнешнемдавлении,

– компенсация избыточнойплавучести, обусловленной уве-личениемплотностиводыпомереувеличенияглубиныпогружения.

Втрадиционнойсхемекорпус-ной модульной конструкции си-стемыаппарата размещеныв от-дельныхнебольшихгерметичныхконтейнерахикомпенсацияотри-цательнойплавучестидостигаетсяприменением сферопластиковыхблоков плавучести, придающихжесткостьвсейконструкции.Эти-ми факторами и требованиями,предъявляемымикэнергетике(ав-тономности), обусловленымассаиразмерыаппарата.Оценки,про-веденныеприподготовкепроекта,приводятквыводуонеобходимо-сти применения конструкцион-ныхматериалов,обеспечивающихопределенныйкомпромисстребо-ванийпопрочностииплавучестикорпуснойконструкции.Втабл.2приведены расчетные характери-стикипрочныхкорпусовподводно-гоаппаратадляпредельныхглубинМировогоокеана[10,11].

Прочный корпус состоит изцилиндрическойоболочкиидвухполусферических крышек. Рас-смотрены возможности созданияпрочногокорпусадляследующихконструкционныхматериалов:алю-миниевогосплаваВ95,титановогосплаваВТ22икомпозитногомате-риала,состоящегоизцилиндриче-скойоболочки,стеклометаллоком-позитаиполусферическихкрышекизалюминиевогосплаваВ95.

Прирасчетеобъема(массы)ап-паратабудемисходитьизусловия,что в конструкции используетсялегковесный наполнитель типасинтактика с эффективной плот-ностью0,8г/см3.Нетруднодалеепоказать,чтоприобъемеаппара-туры,котораядолжнабытьразме-щенавпрочныхкорпусах,равном,например100л,чтосоответству-ет АНПА среднего класса типаМТ-2010(водоизмещениекоторого



Таблица 2. Сравнительные характеристики прочных корпусов из различных материалов

Материал

Цилиндрическая оболочка

Полусферическая крышка Прочный корпус

Толщина, длина, внешний радиус

Толщина стенки,внешний радиус

Объем, масса, эффективная

плотность, г/см3

1.АлюминиевыйсплавВ95 0,6903;4;1,6903 0,25;1,25 46,28;84,14;1,818

2.ТитановыйсплавВТ22 0,1715;4;1,1715 0,0788;1,0788 22,69;26,68;1,176

3.Композит 0,1934;4;1,1934 0,1696;1,1696 24,60;20,75;0,843

Примечание.Вселинейныеразмерынормированынавнутреннийрадиусоболочки,длинаоболочкивыбранаизусловиямаксимальнойустойчивостииравнадвумвнутрен-нимдиаметрам.

составляет300кгдляпредельнойглубины3000м),ориентировочныерасчеты водоизмещения АНПА,выполненных из корпусов 1–3,составят соответственно4300 кг,2150кги1900кг.Результатырас-четадлятрехвариантовматериалапредставленывтабл.3.

Необходимоотметить,чтосте-клометаллокомпозит– новыйма-териал,состоящийизстеклянногослоя, облицованного металличе-скимиобшивками.Вкачествеоб-лицовок могут быть использова-нылегкиеметаллы, обладающиевысокими деформационнымисвойствами. В настоящее времяпроизводитсяотработкатехноло-гииизготовленияцилиндрическихоболочекизстеклометаллокомпо-зита, состоящего из силикатногостеклаиалюминиевыхсплавов.

Другая важная проблема свя-занасобеспечениемнейтральнойплавучестиаппаратаприизмене-нии глубины погружения вплотьдо предельных глубин океана.

Таблица 3. Расчетные данные массы и объема АНПА

МатериалОбъем (м3),

масса (кг) прочных контейнеров

Масса полезной

нагрузки, кг

Объем синтактика,

м3

Объем аппарата,

м3

АлюминиевыйсплавВ95 0,3;550 800 4 4,3

ТитановыйсплавВТ22 0,14;150 400 2 2,15

Композит 0,14;100 350 1,75 1,9

Вследствиеувеличенияплотностиводысглубиной,котораясоставля-етдо1076кг/м3намаксимальныхглубинах при среднем значенииплотности морской воды на по-верхности1020кг/м3,плавучестьАНПАтакжеизменяетсявширо-кихпределах.Крометого,точноезначение плотности на рабочейглубинезаранеенеизвестно.Опытглубоководных зависанийАНПА«Клавесин-1Р»выявилувеличениеегоплавучестина40,5Ннакаждые1000мглубины.Используяприн-ципподобия,получимувеличениеплавучестинаглубине12000мдо486Н.Компенсациюэтихизмене-нийможнообеспечитьспомощьюсистемы регулирования объема(тольконаегоуменьшениеприра-ботенамаксимальныхглубинах).

Анализ путей решения пере-численных выше задач приводитквыводуонеобходимостиприме-нения нетрадиционного подходаквыборусоставаробототехниче-ского комплекса, включающего

автономные,судовыеидистанци-онноуправляемыесредства.Про-ектомпредусматриваетсяследую-щийсоставкомплекса:

• АНПА;• судовойпоступравления,• стационарнаясудоваянави-

гационно-связнаягидроакустиче-скаяантенна(ССГА);предназначе-на для информационного обменасостационарнойдоннойстанциейсдальностьюдействиядо20км;

• судовая буксируемая ги-дроакустическая антенна (СБГА)скабель-тросомдлинойдо5км;предназначена для навигацион-но-информационного обменас АНПА с дальностью действиядо10–15км;

• промерныйдонныймаяк-от-ветчик(ПДМО);предназначендляизмерения гидрологии, глубиныиусловийраспространениясигна-лов,обеспечениянавигационногообмена с АНПА при его работевблизиднасдальностьюдействиядо10км;

• стационарная донная на-вигационная станция (СДНС);предназначена для обеспечениянавигационно-информационногообмена с АНПА при его работевблизиднасдальностьюдействиядо10кмиинформационногообме-насССГАсдальностьюдействиядо20км.

Научное оборудование, уста-навливаемоенабортуАНПА,обес-печиваетвыполнениеследующегоклассаработ:

• прецизионнаябатиметриче-скаясъемкарайонанаплощадидо10км2;

• гидролокационная съемкаднанаплощадидо30км2;

• измерениягидрофизическихи гидрохимических параметровморскойсредыпомаршрутусле-дованияслинейнымпробегомдо50км;

• фототелевизионная съемкаднанаплощадидо180тыс.м2;



Рис. 3. Схема взаимодействия элементов комплекса: 1 – судно-носитель (судовая аппа-ратура управления); 2 – буксируемая судовая антенна; 3 – стационарная донная станция;

4 – судовой пеленгатор; 5 – АНПА; 6 – промерный зонд

• гидроакустическое профи-лирование верхнего слоя грунтанаплощадидо1,8км2.

К дополнительным функци-ональным возможностям АНПАвданномпроектеможнотакжеот-нести:

• выполнение интеллекту-альных поведенческих действийсиспользованиемэлементовадап-тивного управления с автоном-нойидистанционнойкоррекциейтраекторий, выбором маршрутав сложнойсреденаосновеверо-ятностных прогнозов о подвод-нойситуацииисостояниисистемАНПА;

• повышение эффективно-сти батиметрических измеренийианализатонкойструктурымор-скогоднаспомощьюпромерногоэхолота;

• установкунаднеотделяемо-гооборудования.

Представим модель взаимо-действия элементов комплексасхематичноввиде,изображенномнарис.3.Предварительноврайо-неработустанавливаетсядоннаястанцияивыполняетсяеекоорди-нирование с использованием су-довыхсредствнавигацииисвязи.Далееспомощьюаппаратуры,раз-

мещеннойнабуксируемоммодулеилибуксируемомподводномаппа-рате,организуетсясвязьсдоннойстанцией. Положение буксируе-мого аппаратаотносительно суд-надолжновычислятьсясвысокойточностью с использованием до-полнительныхгидроакустическихсредств.Донная станция при ра-боте с АНПА выполняет функ-цииопорногомаякагидроакусти-ческой навигационной системы,необходимого для дальномерныхилидальномерно-угловыхизмере-нийнабортуАНПА.Крометого,доннаястанциядолжнапередаватьвнаправленииотподводногоап-паратанаобеспечивающеесудноинформацию о состоянии борто-выхустройствиизбранныекадрыгидроакустическойифототелеви-зионной съемки. В обратном на-правлениичерездоннуюстанциюнаподводныйаппаратбудутпосту-патькомандытелеуправления.

Необходимо отметить ряддостоинствпредставленногоком-плекса.

Во-первых, благодаря рас-пределению между элементамикомплекса функций навигациии информационного обмена зна-чительноуменьшаютсяэнергоза-

траты и объем бортового обору-дованияАНПА,обеспечивающегоработукомплекса.

Во-вторых, повышается точ-ность навигационного обеспече-ния вцелом,поскольку скоростьраспространения акустическихсигналов в горизонтальной пло-скостиводнороднойсредепроис-ходитсминимальнымградиентоми,крометого,прииспользованиивысокочастотныхсигналовможетбытьсоответственноуменьшенпе-риодпосылокГАНС.

В-третьих, в распределеннойсистемедостигаетсяоптимальноесоотношениемеждупараметраминавигационных и информацион-ных(связных)сигналоввразлич-ных режимахфункционированиякомплекса.

Навигационное обеспечение и связьТрадиционновсоставнавига-

ционногооснащенияАНПАвходятэлементы бортовой автономной,гидроакустическойиспутниковойсистемнавигации.Каждаяизсис-тем,всвоюочередь,представляетсобойкомплексустройств,входя-щихвобщийбазовыйсоставсис-темАНПАисудовогооборудова-ния.Обычно перечень основныхзадач навигационного комплексавключает:

• высокоточное определениетекущихкоординатАНПАнаегобортуинаобеспечивающемсудневусловияхглубокогоморявплотьдопредельныхглубинокеана;

• координатнуюпривязкусне-обходимойточностьювсехэлемен-товглубоководногокомплексаприихвзаимодействиивобщемсцена-рииработы;

• безопасное выполнениера-бочихмиссийвблизиднаидонныхпрепятствий;

• получение на борту сопро-вождающего судна необходимойинформации о состоянии систем



АНПА и управление ходоммис-сиипутемеедистанционнойкор-рекции по гидроакустическомуканалу;

• обеспечение безотказнойработы гидроакустического ка-наласвязисиспользованиемвы-сокопроизводительных модемов(до 15–20 кб/с) и возможностьюпередачивреальномвремениви-зуальной информации, получае-мойвпроцессефункционированиякомплекса.

В навигационном комплексеглубоководногоаппаратанаиболь-шее значение приобретают ги-дроакустические системы.Необ-ходимостьувеличениядальностидействия систем ведет к умень-шению рабочих частот и ростумассогабаритных характеристикаппаратуры,втомчислеиразме-щаемойнабортуаппарата.Крометого,значительноусложняютсяус-ловиядляобеспечениянадежностигидроакустическойсвязииточно-стидальнометриипринаклонномраспространениисигналовв глу-боководных районах со сложнойи слабо изученной гидрологией.Сэтойточкизренияклассическаясхема применения гидроакусти-ческой системысдлиннойбазойсустановкойврайонеработком-плектадонныхмаяковоказываетсяоченьсложнойигромоздкой.

Представляется целесообраз-нымиспользоватьдлярешенияза-дачиспециальнуюстационарнуюдонную станцию как основноесредствообеспеченияглубоковод-ныхпогруженийАНПАивыпол-нениярабочихмиссийвлокальныхрайонах [12].СтанциясовместносАНПАобразуетглубоководныйисследовательскийкомплекс,при-чемстанциявыполняетсясширо-кимифункциональнымивозмож-ностями.Впервуюочередь– этонавигационно-информационнаяподдержка АНПА гидроакусти-ческимисредствами.Крометого,

в составе станции могут бытьразмещены осмотровые и изме-рительные средства, предназна-ченныедляполученияпервичнойинформации о районе предпола-гаемого применения АНПА. Ос-новные системыдонной станциии системы АНПА должны бытьунифицированы.Станциядолжнаиметь энергообеспечение, доста-точное для организации каналаинформационного обмена даль-него действия с использованиемнизкихчастот.Вструктуредоннойстанциидолжныбытьреализованысистемы,обеспечивающиееемно-гократнуюпостановку в районахпримененияАНПА.

Изназначениядоннойстанциивытекаютдварежимаееработы:

– обеспечение высокоско-ростного информационного об-менавнизкочастотномдиапазонепо вертикальному каналу связисобеспечивающимсудном;

– информационный обменс АНПА в придонном горизон-тальномканаленаболеевысокихчастотахвустановленномрадиуседействияАНПА.

Станция устанавливаетсяв районе работ АНПА и служитпередаточным звеном в цепи до-ставкиинформациипомаршруту:сопровождающее судно – букси-руемаягидроакустическаяантен-на – стационарная донная стан-ция–АНПАиобратно.Точностьнавигационной привязки всегокомплексадостигаетсяспомощьюспециальноразработаннойпроце-дурыкоординированияиточногоизмерения текущих горизонталь-ных дальностей судовой гидроа-кустическойантенныотстанции.

Схематически процедуры ин-формационного обмена междуэлементами комплекса выглядятследующимобразом.

Для информационной связимеждуАНПАиДСС,осуществля-емойвусловияхгоризонтального

канала,можетбытьиспользованааппаратуравысокочастотнойсис-темысвязи(ГАССВЧ).Основнымэлементом системы является ги-дроакустическиймодемсдально-стьюдействиядо3кмискоростьюпередачи информации не менее5кбит/с.

СбортаАНПАпередаютсяте-леметрические данные и форма-лизованные сообщения о работеинструментальныхсредствАНПА,анабортАНПАпоступаюткоман-дыуправлениямиссией.Дополни-тельныевозможностидает каналгидроакустической навигации,которыйпозволяет осуществлятьпередачу дальномерных данныхи дублировать (в уменьшенномобъеме)данныетелеметрииико-мандытелеуправления.

В организации связи междуДССиСБАучаствуютобаканала:горизонтальныйканалзадейство-вананалогичнотому,каксказановыше,асвязьввертикальномка-нале осуществляется с помощьюнизкочастотной системы связи(ГАССНЧ).Последняяпредстав-ляет собой постоянный гидро-акустическиймодемсдальностьюдействиядо20кмискоростьюпе-редачиданныхнеменее3–4кбит/с.Этотмодемможетбытьиспользо-вантакжекакгидроакустическийдальномер.Принеобходимостидо-полнительновключаетсяаппарату-ранавигационногоканала(ГАНС)какрезервныйдальномеритранс-лятор телеметрической инфор-мации и команд телеуправлениясдальностьюдействиядо10км.

Техническое зрение и сенсорыВсоставсистемытехническо-

го зрения АНПА могут входитьразнообразные устройства, обес-печивающие обзор и съемку днавзависимостиотхарактераицелипроводимой работы, а также вы-работкувизуальнойинформации,



необходимойдляуправленияаппа-ратом.Внаиболееполнойконфигу-рациисистемапредставляетсобоймодульнуюинтегральнуюсистему,объединяющую гидролокаторыбокового, секторного (кругового)обзора,батиметрическийгидроло-катор,акустическийпрофилограф,фото–видеосистемы, геофизиче-скиепоисковыеиизмерительныеустройства.Врамкахпроектане-обходимо проведение детальныхисследований по оптимальномусоставу системы и обоснованиюхарактеристикеекомпонентов.

Основу сенсорного комплек-сасоставляютизмерителигидро-логических параметров, которыепредназначаютсядляопределенияэлектропроводности,температуры,глубины и широко применяютсяприизучениииосвоенииприрод-ныхресурсовМировогоокеана.

ДополнительновсоставАНПАдолженбытьвключенпромерныйэхолотсдальностьюдействиянеменее500м.

Измерение гидрохимическихпараметров воды в придонномпространствепроизводится спо-мощьюдатчиковкислорода,соле-ности,РН,прозрачности,концент-рацииразличныхионовметаллови т.д. Необходимо обоснованиеоптимального состава сенсоровАНПАииххарактеристиксуче-томработывусловияхпредельныхглубин.

Планирование движения и управлениеОдна из основных задач, ре-

шаемыхАНПА в глубоководномрайоне,заключаетсяввыполнениигидролокационной,фототелефизи-оннойипрофилографическойоб-зорнойсъемкиднаспоследующимпостроениембатиметрическойкар-тыикартразличныхфизическихвеличин(температуры,солености,скоростизвука,растворенногокис-лорода, метана и т.п.). Сценарий

использования АНПА для такихисследований в целом аналоги-чен сценарию выполнения ранееотработанныхглубоководныхоб-зорно-поисковыхработ.Основноеотличиезаключаетсявнеобходи-мости поддержания постоянногоинформационногоконтактасдон-нойстанцией.Этимобусловленынекоторыеособенностисценария,заключающиесявследующем.

На заключительном этапепогружения АНПА должен осу-ществлять процедуру активногопоискаинаведениянаДСдляуста-новленияснейконтактаиканалаинформационного обмена. Приэтомвзаимодействиессудном-но-сителемведетсячерезДС,поэто-му траектории движения АНПАдолжны строиться и автоматиче-скикорректироватьсятакимобра-зом,чтобыаппаратпостояннона-ходилсявзонедействиястанции.Этонеобходимокакдляслеженияза АНПА с судна-носителя, такидляосуществлениянавигацион-нойпривязкиполучаемыхданных.Отсюдаследует,чтодляАНПАот-сутствуетзадание(миссия)вобыч-номсмыслеэтогопонятия.Районработ определяется дальностьюдействияканаласвязиизависитотконкретныхакустическихусловийвместеустановкиДС.РяддругихособенностейработыАНПАсвя-занспреобладаниемсложногоре-льефа,наличиеманомальныхмаг-нитныхполейи,возможно,другихмалоизвестныхявлений.

Из общей постановки задачиследует, что архитектура инфор-мационно-управляющей системы(ИУС)вцеломможетбытьорга-низована по типуИУС обзорно-поисковых аппаратов [13]. Этаархитектурасодержиттриуровняинформационно-управляющеговзаимодействия систем и библи-отекуагентов,отвечающихзаор-ганизациюразличныхпроцессов.Особенности глубоководной ра-

ботымогутбытьучтенывсоставеагентовиповеденческихфункцияхэлементов тактическогоииспол-нительногоуровнейИУС.Так,за-дачаавтоматическогоприведенияАНПАкдоннойстанциирешает-ся одним из агентов библиотекитактического уровня, алгоритмыкоторогореализованыипровере-нывреальныхморскихоперациях[5–9,13,14].

Отметим некоторые особен-ности формирования движенияаппарата вблизи донной станциис цельюпокрытия области опре-деленногорадиусасетьюзамкну-тых траекторий.Форма и разме-ры этой области, зависящие отдальностисвязи,предварительномогутбытьоцененыпутеммоде-лирования. Одним из вариантовявляетсядвижениеАНПАпотра-ектории,напоминающейспиральАрхимеда (или прямоугольнуюспираль [15]), в центре которойнаходитсяДС(рис.4,а).Расстоя-ниемеждувиткамиспиралиопре-деляетсяширинойполосыобзораустройств технического зрения.Движениепродолжаетсядопоте-рисвязисДС,послечегоАНПАлибо прекращает миссию, либовозвращаетсякДСдляполученияинструкций(команд)ссудна-носи-теля.Кдостоинствамтакогоалго-ритмадвижения следует отнестиего простоту и anytime-характерпостроения траектории. Однакопри спиралеобразном движенииследуетучитыватьнекоторыеогра-ничениянаработуисследователь-скихустройств.

ДругойвариантпланированиядвижениявблизиДСсостоитвза-даниидвух симметрично развер-нутыхмеандровпообестороныотДС(рис.4, б).Такоедвижениесо-здаетблагоприятныеусловиядляработыакустическихсредствипо-строениямозаикприкартографи-рованиирайона.Привыполнении«меандра»каждыйгалсвыполня-



Рис. 4. Варианты траектории покрытия: а – спираль, б – симметричные прямоугольные меандры (красный – левый, синий – правый). Пунктирная линия – условные границы зоны

связи с ДС

а б

етсядотехпор,покасуществуетустойчиваясвязьсДС,послечегоаппарат переходит на обратныйгалс.ДвижениепродолжаетсядополнойпотерисвязисДС,послечего аппарат возвращается к ДСи переходит к выполнению сим-метричного «меандра», если нетдругихинструкций.

Приведенныйсхематичносце-нарийдвиженияпредполагает,чтоаппаратидоннаястанциянаходят-ся на одном горизонте. Реальноаппаратсовершаетпространствен-ноедвижениеврадиуседейcтвияканала связи сДС.ПриналичиипрепятствийАНПАдолженманев-рироватьспеременнойскоростьюистабилизироватьснеобходимойточностьюкурсиглубину(рассто-яниедодна)находуинаместе,осуществлятьдвижениепотраек-тории, формируемой в процессеобследования заданной областиилианомальногополя,прибати-метрии и других измерениях поконтурамиразрезам.Наибольшуюпроблемуприразработкевысоко-организованной системы управ-ления движением представляетформирование маршрута АНПАприсложномрельефедна,харак-терномдляглубоководныхвпадинигор(гайотов).Какправило,дляпроведения гидролокационнойи фототелевизионной съемки намаломрасстоянииотднатребуется

движениепоэквидистанте,иприналичиисложныхпрепятствийап-паратдолженэффективноманев-рироватьи выбиратьбезопасныймаршрут,отслеживаяприэтомза-ложеннуюпрограммойцель.Орга-низациядвижениявсредеструд-нопреодолимыми препятствиямитребует интеллектуализации нетолькосистемнавигациииуправ-ления,ноисредствобнаруженияи распознавания всех видовпре-пятствийпомаршрутудвижения.Приоритетной задачей являетсяобеспечение безопасности аппа-рата,вособенностипридвижениивстесненномпространстве,полу-чениинеполнойилинедостаточнодостовернойинформацииовнеш-нейсредеисостояниисамогоаппа-рата.Вусловияхизменчивогоре-льефацелесообразнопроизводитьсъемкупогоризонтальнымилира-диальнымразрезам.Дляпострое-ниясетигоризонтальныхразрезовфактическитребуетсяобеспечитьдвижениепоизобатамсобходомотносительно простых препятст-вий,такчтоэтоможетдатьнеко-торыепреимуществавотношенииуправляемостиаппаратаиэнерго-затратнадвижение.Съемкапора-диальнымразрезамтребуетвыпол-нения более сложных маневров,причемсъемкуцелесообразнопро-изводитьвдвапрохода.Напервомпроходеосуществляетсяобзорная

гидролокационнаясъемканарас-стоянии от поверхности порядка30–50 м, второй проход с фото-иливидеосъемкойстановитсябо-леетруднымиз-занеобходимостиобеспечиватьэквидистантноедви-жениенавысоте3–5мотдна.

Системауправлениядвижени-емдолжнаудовлетворятьвысокимтребованиямпокачествудинами-ческих процессов, зависящих оттех режимов движения, которыедолжен осуществлять маневрен-ный аппарат с гибким управле-нием.

Задачиуправлениявбольшин-ствережимовдвижениярешаютсяалгоритмическим(программным)путемиреализацией адаптивнойструктурыуправления (регулято-ра), а для минимизации энерго-затрат на движение необходимо,кроме того, минимизировать со-противлениенакорпусеихвосто-вомоперении,гдеобычноразме-щаются исполнительные органы(движителиирули).

Оценка основных технических характеристик проектаАнализ научно-технических

и технологических проблем по-зволяет оценить технические ха-рактеристикиосновныхсоставныхчастейглубоководногоробототех-ническогокомплекса,включающе-гоАНПА,ДСС,СБА.Их основ-ныехарактеристикипредставленывтабл.4.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование и освоениеглубоководных районов океанаи абиссалей связано с решениемпринципиальныхнаучно-техниче-скихитехнологическихвопросовсозданиянадежных,долговремен-ныхмногофункциональных ком-плексов, включающих автоном-ные, дистанционно управляемые



и стационарные глубоководныеаппараты и робототехническиесистемы.Рассмотренныйврабо-те проект может быть положенв основу создания робототехни-ческого комплекса, способногообеспечить решение многих на-зревшихзадачпоосвоениюокеан-скихглубин.Приэтоммогутбытьреализованы долговременные,протяженныесистемныеисследо-ваниявсехвыявленныхвнастоя-

ЛИТЕРАТУРА

1.СмирновА.В.,АрмишевС.В.Исследованияподводнымироботамирифтовыхигорныхобразований//Техническиесредстваизучениямировогоокеана/Ин-токеанол.им.П.П.ШиршоваАНСССР.М.,1983.С.95–98.

2.АгеевМ.Д.,ИнзарцевА.В.,КиселевЛ.В.НекоторыевопросыуправленияАНПАприобследованииподводныхгор//Морскиетехнологии.Владивосток,2000.Вып.3.С.6–22.

3.ЗенкевичН.Л.АтласфотографийднаТихогоОкеана.М.:Наука,1970.134с.4.ВолохинЮ.Г.,МельниковМ.Е.,ШкольникЭ.Л.идр.ГайотыЗападнойПацификииихрудоносность.М.:Наука,1995.368с.5.СагалевичА.М.Океанологияиподводныеобитаемыеаппараты.М.:Наука,1987.256с.6.АгеевМ.Д.,КиселевЛ.В.,МатвиенкоЮ.В.идр.Автономныеподводныероботы.Системыитехнологии/подобщ.ред.акад.М.Д.Агеева.

М:Наука,2005.398с.7.ИнзарцевА.В.,КаморныйА.В.,ЛьвовО.Ю.,МатвиенкоЮ.В.,РыловН.И.Применениеавтономногонеобитаемогоподводногоаппарата

длянаучныхисследованийвАрктике//Подводныеисследованияиробототехника.2007.№2(4).С.5–14.8.InzartsevA.V.,KiseljevL.V.,MatviyenkoYu.V.etal.IntegratedPositioningSystemofAutonomousUnderwaterRobotandItsApplicationinHigh

LatitudesofArcticZone//MotionControl.Vienna:InTech,2010.P.229–244.9.КиселевЛ.В.,МатвиенкоЮ.В.Автономныеподводныероботы:Системы,комплексы,технологии//Подводныетехнологииисредства

освоенияМировогоокеана.М.:Изд.дом«Оружиеитехнологии»,2011.С.162–179.10.ПикульВ.В.Перспективысозданияпрочныхкорпусовглубоководнойтехникиизстеклометаллокомпозита//Судостроение.2000.№4.

С.14–16.11.Пат.2425776РоссийскаяФедерация,МПКВ63В3/13.Водонепроницаемыйпрочныйкорпусподводногоаппаратаизстеклометаллоком-

позита/В.В.Пикуль.№2010114421;заявл.12.04.2010;опубл.10.08.2011,Бюл.№22.12.MatvienkoYu.V.,VaulinYu.V.Thenavigationsupportofautonomousunderwatervehiclesforextremeoceandepths//23-rdSaintPetersburg

ConferenceonIntegratedNavigationSystems.SaintPetersburg,2016.P.422–424.13.ИнзарцевА.В.,ПавинА.М.,БагницкийА.В.Планированиеиосуществлениедействийобследовательскогоподводногороботанабазе

поведенческихметодов//Подводныеисследованияиробототехника.2013.№1(15).С.4–16.14.ПавинА.М.Автоматическоепривидениеавтономногоподводногороботакгидроакустическомумаяку//Подводныеисследованияиро-

бототехника.2008.№1(5).С.32–38.15.БагницкийА.В.,ИнзарцевА.В.Автоматизацияподготовкимиссиидляавтономногонеобитаемогоподводногоаппаратавзадачахобсле-

дованияакваторий//Подводныеисследованияиробототехника.2010.№2(10).С.17–24.

можных запасах минеральногосырья (железомарганцевых кон-креций и корок). Отработанныена практике глубоководные тех-нологиисиспользованиемАНПАмогутнайтиприменениевдругих,внастоящеевремяневыявленныхглубоководныхрайонахМирово-го океана, а также подо льдамив Северном Ледовитом океане.Успехивназваннойпроблематикеявляютсяпоказателемтехнологи-ческогоуровняразвитиястраны,интегрируядостижениявомногихсферахнаукиитехники,включаяпроблемы механики, материало-ведения, энергетики, навигации,управления,вычислительнойтех-ники. Решение рассмотренноговработекомплексапроблембудетспособствовать также укрепле-ниюнациональнойбезопасностиинаучно-техническомуразвитиюстраны, интеграции глубоковод-ных средств нового поколениявобщуюструктурусредствосвое-нияглубинМировогоокеана.

Таблица 4. Основные технические характеристики АНПА, ДСС, СБА

АНПА ДСС СБАМаксимальнаяглубинапогружения–12000мМасса–2000кгРазмеры–∅0,8×4,0мСкорость–0–1,5м/сАвтономность–24чПробег–50кмЭнергоемкостьлитий-ионныхбатарей–4–8кВт.чОборудование:ГБО,промер-ныймноголучевойэхолот,цифроваяфотовидеосистема,донныйакустическийпрофилограф,датчикисреды

Максимальнаяглубинапогружения–12000мМасса–3000кгРазмеры–∅0,8×5,0мАвтономность–36чЭнергоемкостьлитий-ионныхбатарей–8кВт.ч Оборудование:ГБО,циф-роваяфотовидеосистема,датчикисреды,другие специальныеизмерители

Максимальнаяглубинапогружения–6000мМасса–100кгРазмеры–∅0,8×1,0мДлинакабеля–10км Оборудование:датчикглубины,ГАНС, ГАССНЧ

щеевремяглубоководныхрайоновМирового океана, а такжепоискиобследованиеновых,недоступ-ныхвнастоящеевремя, районовокеановиморей.Реализацияпро-екта позволит получить новыезнанияогеологическомстроенииморскогоднаврайонахглобаль-ныхразломовземнойкоры,орга-нических процессах и явлениях,гидрологических особенностяхв придонном пространстве, воз-

Documents

О ПРОЕКТЕ СОЗДАНИЯ ПОДВОДНОГО …jmtp.febras.ru/journal/2-22-2016/4-12.pdf · кам,лубочайшая г точка Мирового океана,днако