Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Фотография сделана сотрудником Bluefin Robotics Corporation во время учений ВМС США . Автономный подводный аппарат подготовки боевого пространства (BPAUV) .
АПА Blackghost предназначен для автономного выполнения подводного штурмового курса без внешнего контроля.
АПА Pluto Plus для обнаружения и уничтожения подводных мин. От норвежского майнхантера KNM Hinnøy

Автономный подводный аппарат ( АНПА ) является робот , который проходит под водой , не требуя от оператора. АНПА составляют часть более крупной группы подводных систем, известных как беспилотные подводные аппараты , классификация, которая включает неавтономные дистанционно управляемые подводные аппараты (ROV), управляемые и приводимые в действие с поверхности оператором / пилотом через шлангокабель или с помощью дистанционного управления. В военных приложениях АПА чаще называют беспилотным подводным аппаратом ( БПЛА ). Подводные планеры - это подкласс АПА.

История [ править ]

Первый АПА был разработан в Лаборатории прикладной физики Вашингтонского университета еще в 1957 году Стэном Мерфи, Бобом Франсуа и позже Терри Юартом. «Специальный подводный исследовательский аппарат», или SPURV , использовался для изучения диффузии, передачи звука и подводных следов.

Другие ранние АПА были разработаны в Массачусетском технологическом институте в 1970-х годах. Один из них выставлен в Морской галерее Харта в Массачусетском технологическом институте. В то же время в Советском Союзе были разработаны АПА [1] (хотя об этом стало известно гораздо позже).

Приложения [ править ]

До относительно недавнего времени АПА использовались для ограниченного числа задач, продиктованных имеющейся технологией. С развитием более продвинутых возможностей обработки и источников питания с высокой производительностью, АПА теперь используются для все большего и большего числа задач, а роли и задачи постоянно меняются.

Коммерческий [ править ]

Нефтегазовая промышленность использует АПА для создания подробных карт морского дна, прежде чем они начнут строить подводную инфраструктуру; трубопроводы и подводные сооружения могут быть проложены наиболее экономичным способом с минимальным ущербом для окружающей среды. AUV позволяет геодезическим компаниям проводить точные исследования участков, где традиционные батиметрические исследования были бы менее эффективными или слишком дорогостоящими. Кроме того, теперь возможно обследование труб после укладки, которое включает осмотр трубопровода. Использование АНПА для обследования трубопроводов и обследования подводных искусственных сооружений становится все более распространенным.

Исследование [ править ]

Исследователь из Университета Южной Флориды развертывает Tavros02 , АПА "твиттер" на солнечной энергии (SAUV).

Ученые используют АПА для изучения озер, океана и океанского дна. К АНПА могут быть прикреплены различные датчики для измерения концентрации различных элементов или соединений, поглощения или отражения света и наличия микроскопической жизни. Примеры включают в себя датчики проводимости от температуры глубины (УТПки), флуорометры и рН датчики. Кроме того, АПА могут быть сконфигурированы как тягачи для доставки настроенных датчиков в определенные места.

Лаборатория прикладной физики Вашингтонского университета создала итерации своей платформы Seaglider AUV с 1950-х годов. Хотя iRobot Seaglider изначально был разработан для океанографических исследований, в последние годы он вызвал большой интерес со стороны таких организаций, как ВМС США или нефтегазовая промышленность. Тот факт, что эти автономные планеры относительно недорогие в производстве и эксплуатации, свидетельствует о том, что большинство платформ AUV будут иметь успех во множестве приложений. [2]

Примером АПА, напрямую взаимодействующего с окружающей средой, является робот-морская звезда Crown-Of-Thorns ( COTSBot ), созданный Технологическим университетом Квинсленда (QUT). COTSBot находит и уничтожает морскую звезду «терновый венец» ( Acanthaster planci ) - вид, наносящий ущерб Большому Барьерному рифу . Он использует нейронную сеть для идентификации морской звезды и вводит соли желчных кислот, чтобы убить ее. [3]

Хобби [ править ]

См. Также: Организация личных подводных аппаратов

Многие робототехники конструируют АПА в качестве хобби. Существует несколько соревнований, которые позволяют этим самодельным АПА соревноваться друг с другом при выполнении поставленных задач. [4] [5] [6] Как и их коммерческие собратья, эти АПА могут быть оснащены камерами, фонарями или сонаром. Из-за ограниченных ресурсов и неопытности любительские АПА редко могут конкурировать с коммерческими моделями по эксплуатационной глубине, долговечности или сложности. Наконец, эти любительские АПА обычно не летают в океане, большую часть времени эксплуатируя в бассейнах или на днах озер. Простой АНП может быть построен из микроконтроллера, ПВХ корпуса давления, автоматического привода замка двери, шприцев , и коммутируемое реле. [7]Некоторые участники конкурсов создают проекты, основанные на программном обеспечении с открытым исходным кодом. [8]

Незаконный оборот наркотиков [ править ]

Подводные лодки, которые самостоятельно добираются до пункта назначения с помощью GPS-навигации, были созданы незаконными торговцами наркотиками. [9] [10] [11] [12]

Расследование авиакатастроф [ править ]

Автономные подводные аппараты, например AUV ABYSS , использовались для поиска обломков пропавших без вести самолетов, например, Air France Flight 447 , [13] и Bluefin-21 AUV использовался в поисках рейса 370 Malaysia Airlines . [14]

Военное применение [ править ]

MK 18 MOD 1 Swordfish UUV
Mk 18 Mod 2 Kingfish БПА
Запуск БПА Kingfish

В Генеральном плане беспилотных подводных аппаратов (БПА) ВМС США [15] определены следующие задачи БПА:

  • Разведка, наблюдение и разведка
  • Противоминные меры
  • Противолодочная война
  • Осмотр / идентификация
  • Океанография
  • Узлы сети связи / навигации
  • Доставка полезной нагрузки
  • Информационные операции
  • Критические по времени удары

Генеральный план ВМФ разделил все БПА на четыре класса: [16]

  • Класс переносного транспортного средства: водоизмещение 25–100 фунтов; Выносливость 10–20 часов; запускается с малых плавсредств вручную (например, Mk 18 Mod 1 Swordfish UUV )
  • Класс легковых автомобилей: водоизмещение до 500 фунтов, автономность 20–40 часов; запускается с RHIB с использованием системы запуска и подъема или с помощью кранов с надводных кораблей (например, Mk 18 Mod 2 Kingfish UUV )
  • Класс тяжелой техники: водоизмещение до 3000 фунтов, автономность 40–80 часов, запуск с подводных лодок.
  • Класс крупногабаритного транспорта: водоизмещение до 10 тонн; запускается с надводных кораблей и подводных лодок

В 2019 году ВМФ заказал пять БПА Orca - первое приобретение беспилотных подводных лодок с боеспособностью. [17]

Конструкции транспортных средств [ править ]

Сотни различных АПА были спроектированы за последние 50 или около того лет [18], но лишь несколько компаний продают автомобили в значительных количествах. Есть около 10 компаний, которые продают АПА на международном рынке, в том числе Kongsberg Maritime , Hydroid (теперь 100% дочерняя компания Kongsberg Maritime [19] ), Bluefin Robotics , Teledyne Gavia (ранее известная как Hafmynd), International Submarine Engineering (ISE). Ltd, Atlas Elektronik и OceanScan. [20]

Размеры транспортных средств варьируются от переносных легких АПА до автомобилей большого диаметра и длиной более 10 метров. Большие автомобили имеют преимущества с точки зрения выносливости и грузоподъемности датчиков; меньшие транспортные средства значительно выигрывают от более низкой логистики (например, занимаемая площадь вспомогательного судна; системы запуска и восстановления).

Некоторые производители, в том числе Bluefin и Kongsberg, воспользовались спонсорской поддержкой правительства страны. Рынок фактически разделен на три области: научные (включая университеты и исследовательские агентства), коммерческие оффшорные (нефть и газ и т. Д.) И военные приложения (противоминные меры, подготовка боевого пространства). Большинство этих ролей имеют аналогичную конструкцию и работают в маршевом (торпедном) режиме. Они собирают данные, следуя заранее запланированному маршруту на скорости от 1 до 4 узлов.

Коммерчески доступные АПА включают в себя различные конструкции, такие как небольшой АНПА REMUS 100, первоначально разработанный Океанографическим институтом Вудс-Хоул в США и в настоящее время производимый на коммерческой основе компанией Hydroid, Inc. (полностью принадлежащая компании Kongsberg Maritime [19] ); более крупные АПА HUGIN 1000 и 3000, разработанные Kongsberg Maritime and Norwegian Defense Research Establishment; аппараты Bluefin Robotics диаметром 12 и 21 дюйм (300 и 530 мм) и International Submarine Engineering Ltd. Большинство АПА следуют традиционной форме торпеды, поскольку это считается лучшим компромиссом между размером, полезным объемом, гидродинамической эффективностью и простота обращения. Некоторые автомобили имеют модульную конструкцию, что позволяет операторам легко заменять компоненты.

Рынок развивается, и теперь дизайн соответствует коммерческим требованиям, а не является чисто конструкторским. Предстоящие разработки включают в себя АНПА с возможностью зависания для инспекции и светового вмешательства (в первую очередь для морских энергетических приложений), а также гибридные АПА / ТПА, которые переключаются между ролями в рамках своего профиля миссии. Опять же, рынок будет определяться финансовыми требованиями и стремлением сэкономить деньги и дорогое время доставки.

Сегодня, в то время как большинство АПА способны выполнять задачи без присмотра, большинство операторов остаются в пределах досягаемости систем акустической телеметрии, чтобы внимательно следить за своими инвестициями. Это не всегда возможно. Например, Канада недавно приняла на себя поставку двух АПА (ISE Explorers) для исследования морского дна под арктическим льдом в подтверждение своего требования в соответствии со статьей 76 Конвенции Организации Объединенных Наций по морскому праву. Кроме того, варианты сверхмалой мощности и дальнего действия, такие как подводные планеры , становятся способными работать без присмотра в течение недель или месяцев в прибрежных районах и в открытом океане, периодически передавая данные со спутника на берег, прежде чем вернуться, чтобы их забрали.

С 2008 года разрабатывается новый класс АПА, который имитирует конструкции, встречающиеся в природе. Хотя большинство из них в настоящее время находятся на экспериментальной стадии, эти биомиметические (или бионические ) аппараты способны достичь более высоких степеней эффективности движения и маневренности, копируя успешные конструкции в природе. Два таких автомобиля - AquaJelly (AUV) от Festo [21] и EvoLogics BOSS Manta Ray. [22]

Датчики [ править ]

АНПА оснащены датчиками для автономной навигации и картографирования океана. Типичные датчики включают в себя циркуль , глубина датчики, боковые и другие сонары , магнитометры , термисторы и зонды проводимости. Некоторые АПА оснащены биологическими датчиками, включая флуорометры (также известные как датчики хлорофилла ), датчики мутности и датчики для измерения pH и количества растворенного кислорода .

Демонстрация в заливе Монтерей , Калифорния, в сентябре 2006 г. показала, что АПА диаметром 21 дюйм (530 мм) может буксировать группу гидрофонов длиной 400 футов (120 м), сохраняя при этом скорость 6 узлов (11 км / ч). крейсерская скорость. [ необходима цитата ]

Навигация [ править ]

Радиоволны не могут проникать в воду очень далеко, поэтому, как только АПА погружается, он теряет сигнал GPS. Таким образом, стандартный способ подводного плавания для АПА - это расчет на мертвые точки . Однако навигацию можно улучшить, используя подводную акустическую систему позиционирования . При работе в сети базовых транспондеров на морском дне это называется LBL-навигацией . Когда доступен наземный ориентир, такой как корабль поддержки, для расчета положения подводного транспортного средства относительно известного ( GPS ) используется позиционирование по ультракороткой базовой линии (USBL) или короткой базовой линии (SBL).) положение плавсредства по акустической дальности и пеленгам. Чтобы улучшить оценку своего местоположения и уменьшить ошибки в точном исчислении (которые со временем растут), АПА может также всплывать и принимать собственные координаты GPS. Между установками местоположения и для точного маневрирования инерциальная навигационная система на борту АПА вычисляет путем точного счисления положение АПА, ускорение и скорость. Оценки могут быть сделаны с использованием данных из инерциального измерительного блока и могут быть улучшены путем добавления доплеровского журнала скорости.(DVL), который измеряет скорость движения по дну моря / озера. Обычно датчик давления измеряет вертикальное положение (глубину транспортного средства), хотя глубину и высоту также можно получить из измерений DVL. Эти наблюдения фильтруются для определения окончательного решения для навигации.

Двигательная установка [ править ]

Для АНПА есть несколько методов движения. Некоторые из них используют щеточный или бесщеточный электродвигатель, редуктор, манжетное уплотнение и пропеллер, который может быть окружен соплом или нет. Все эти части, встроенные в конструкцию АПА, участвуют в движущей силе. Другие автомобили используют подруливающее устройство для сохранения модульности. В зависимости от необходимости, подруливающее устройство может быть оборудовано соплом для защиты от столкновения гребного винта или для снижения уровня шума, или оно может быть оборудовано подруливающим устройством с прямым приводом, чтобы поддерживать эффективность на самом высоком уровне, а шум - на самом низком. Усовершенствованные подруливающие устройства для АНПА имеют резервную систему уплотнения вала, чтобы гарантировать надлежащее уплотнение робота, даже если одно из уплотнений выходит из строя во время миссии.

Подводные планеры не двигаются напрямую. Изменяя свою плавучесть и дифферент, они многократно тонут и поднимаются; Аэродинамические «крылья» преобразуют это движение вверх и вниз в движение вперед. Изменение плавучести обычно осуществляется с помощью насоса, который может всасывать или выталкивать воду. Угол наклона транспортного средства можно регулировать, изменяя его центр масс. Для планеров Slocum это делается изнутри, перемещая батареи, которые закреплены на винте. Из-за их низкой скорости и маломощной электроники энергия, необходимая для циклического триммирования, намного меньше, чем для обычных АПА, а планеры могут иметь месячный срок службы и дальность полета за океаном.

Связь [ править ]

Поскольку радиоволны плохо распространяются под водой, многие АПА оснащены акустическими модемами для дистанционного управления и контроля. Эти модемы обычно используют собственные методы связи и схемы модуляции. В 2017 году НАТО ратифицировало стандарт ANEP-87 JANUS для подводной связи. Этот стандарт позволяет использовать каналы связи со скоростью 80 бит / с с гибким и расширяемым форматированием сообщений .

Мощность [ править ]

Большинство используемых сегодня АПА питаются от аккумуляторных батарей ( литий-ионные , литий-полимерные , никель-металлогидридные и т. Д.) И реализованы с помощью той или иной системы управления батареями . В некоторых транспортных средствах используются первичные батареи, которые обеспечивают, возможно, вдвое больший срок службы - при существенных дополнительных затратах на миссию. Некоторые из более крупных автомобилей питаются от полутопливных элементов на основе алюминия , но они требуют значительного технического обслуживания, требуют дорогостоящей заправки и производят отходы, с которыми необходимо безопасно обращаться. Возникающая тенденция - комбинировать различные батареи и системы питания с суперконденсаторами .

См. Также [ править ]

  • Вмешательство AUV  - Тип автономного подводного аппарата, способного к автономному вмешательству
  • Подводный планер  - тип автономного подводного аппарата, который использует небольшие изменения плавучести для движения вверх и вниз и использует крылья для преобразования вертикального движения в горизонтальное, продвигаясь вперед с очень низким энергопотреблением.
  • Бионика
  • Биомиметика  - Имитация биологических систем для решения человеческих проблем.
  • Научно-исследовательский институт аквариума Монтерей-Бэй
  • Управление военно-морских исследований
  • Национальный центр океанографии, Саутгемптон
  • DeepC  - автономный подводный аппарат на топливном элементе
  • Национальный институт подводных наук и технологий
  • АНПА-150  - беспилотный подводный аппарат, разрабатываемый ЦНИИ машиностроения.
  • РЕМУС (АНПА)  - серия автономных подводных аппаратов
  • MAYA AUV  - автономный подводный аппарат от Национального института океанографии, Индия
  • Торпеда  - самоходное подводное оружие
  • Тесей (АНПА)  - большой автономный подводный аппарат для прокладки оптоволоконного кабеля.
  • Eelume  - автономный подводный аппарат, разрабатываемый Eelume AS

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Автономные транспортные средства в Институте проблем морских технологий. Архивировано 27 мая 2009 г., на Wayback Machine.
  2. ^ http://www.apl.washington.edu/project/project.php?id=seaglider_auv
  3. ^ Dayoub Ф., Dunbabin, М. и Корка, P. (2015). Роботизированное обнаружение и отслеживание морских звезд «терновый венец». Появиться в Proc. Международная конференция по интеллектуальным роботам и системам (IROS) 2015 IEEE / RSJ pdf Архивировано 13 апреля 2018 г. в Wayback Machine
  4. ^ "РобоСаб" . Архивировано из оригинального 13 июня 2015 года . Дата обращения 25 мая 2015 .
  5. ^ Designspark ChipKIT Challenge (этот конкурс сейчас закрыт)
  6. ^ Конкурс автономных подводных аппаратов
  7. ^ Университет Осака Наоэ Мини подводный планер (MUG) для образования Архивированного 13 марта 2011, в Wayback Machine
  8. ^ "Роботизированная подводная лодка, управляющая Debian, выигрывает международный конкурс" . Новости Debian . 2009-10-08. Архивировано из оригинального 28 апреля 2015 года . Дата обращения 25 мая 2015 .
  9. ^ Журнал Kijk, 3/2012 [ требуется полная ссылка ]
  10. ^ Шарки, Ноэль; Гудман, Марк; Рос, Ник (2010). "Грядущая волна преступности, связанной с роботами" (PDF) . Компьютер . 43 (8): 116–115. DOI : 10,1109 / MC.2010.242 . ISSN 0018-9162 .  
  11. ^ Wired for war: робототехническая революция и конфликт в двадцать первом веке, автор PWSinger, 2009
  12. ^ Lichtenwald, Терренс Г., Steinhour, Мара Х., и Пери, Фрэнк С. (2012). « Оценка морской угрозы, исходящей от морских преступных организаций и террористических операций », Внутренняя безопасность, том 8, статья 13.
  13. ^ «Malaysia Airlines: единственные в мире три подводные лодки Abyss, готовые к поиску самолетов» . Telegraph.co.uk . 23 марта 2014 г.
  14. ^ "Робот Bluefin присоединяется к поиску пропавшего малазийского самолета - The Boston Globe" . BostonGlobe.com . Проверено 28 февраля 2017 .
  15. ↑ Министерство флота, Генеральный план беспилотных подводных аппаратов (UUV), 9 ноября 2004 г.
  16. ^ «Johns Hopkins APL Technical Digest, Volume 32, Number 5 (2014)» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 08.09.2015 . Проверено 18 ноября 2015 .
  17. ^ «Военно-морской флот начинает вкладывать реальные деньги в роботизированные подводные лодки» . Лос-Анджелес Таймс . 19 апреля 2019 . Проверено 20 октября 2020 года .
  18. ^ "Временная шкала системы AUV" . Дата обращения 25 мая 2015 .
  19. ^ a b «KONGSBERG приобретает Hydroid LLC» Kongsberg - Hydroid , 2007
  20. ^ "LAUV - легкий автономный подводный аппарат" . www.oceanscan-mst.com . Проверено 28 февраля 2017 .
  21. ^ "AquaJelly" Festo Corporate , 2008 г.
  22. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2018-03-24 . Проверено 24 марта 2018 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )

Библиография [ править ]

  • Технология и применение автономных подводных аппаратов ISBN Гвин Гриффитс 978-0-415-30154-1 
  • Обзор разработок автономных подводных аппаратов (AUV ) ISBN 978-1-155-10695-3 
  • Мастер-класс по технологии AUV для полярных исследований ISBN 978-0-906940-48-8 
  • Эксплуатация автономных подводных аппаратов2 ISBN 978-0-906940-40-2 
  • Симпозиум 1996 года по технологии автономных подводных аппаратов ISBN 978-0-7803-3185-3 
  • Разработка автономного подводного аппарата ISBN 978-3-639-09644-6 
  • Оптимальная система управления для полуавтономного подводного аппарата ISBN 978-3-639-24545-5 
  • ISBN автономных подводных аппаратов 978-1-4398-1831-2 
  • Рекомендуемый свод правил эксплуатации автономных морских транспортных средств ISBN 978-0-906940-51-8 
  • Автономер Mobiler Roboter ISBN 978-1-158-80510-5 
  • Дистанционно управляемый подводный аппарат ISBN 978-613-0-30144-6 
  • ISBN подводных роботов 978-3-540-31752-4 
  • Отчет о мировом рынке AUV 2010-2019 ISBN 978-1-905183-48-7 
  • Автономные подводные аппараты: дизайн и практика  ISBN 978-1-78561-703-4 

Внешние ссылки [ править ]

  • Первый АПА, пересекающий Атлантический океан, выставлен в Смитсоновском институте
  • Презентация АПА Abyss (IFM-GEOMAR Kiel)
  • Применение технологии автономных подводных аппаратов (AUV) в нефтяной промышленности - видение и опыт