Буксируемый подводный аппарат, оснащенный гидроакустической аппаратурой для обнаружения заиленных объектов и трубопроводов и последующего их мониторинга
TOWED UNDERWATER VEHICLE, EQUIPPED WITH SONAR EQUIPMENT FOR DETECTING SILTING FACILITIES AND PIPELINES, AND THEIR SUBSEQUENT MONITORING

Изобретение относится к области производства подводных работ с использованием буксируемых подводных аппаратов (БПА), преимущественно оснащенных гидроакустической измерительной аппаратурой, и предназначено для обследования морских магистральных трубопроводов и может быть использовано для поиска и обнаружения других подводных объектов, включая объекты техногенного происхождения.
Известно устройство, представляющее собой буксируемый подводный аппарат (В.А. Воронин, С.П. Тарасов, В.И. Тимощенко. Гидроакустические параметрические системы. Ростов-на-Дону. ООО Ростиздат. 2004, с. 257 [1]), выполненный в виде полого цилиндрического тела со съемной головкой и хвостовыми частями и оснащенный носовой и кормовой телекамерами, гидролокатором бокового обзора с дальностью действия 100 м и параметрическим профилографом с цветным индикатором и вычислительно-управляющим модулем. Размеры БПА составляют: длина 1300 мм, диаметр 210 мм. Ввод сигнальных жил кабель-троса выполнен в головной части, кабельные вводы для приемных и излучающих антенн выполнены рядом с антеннами, все они герметичны и рассчитаны на погружение до глубины 100 м. На боковых частях буксируемого тела выполнены установочные площадки для четырех преобразователей накачки, на специальных бандажах крепятся четыре приемные антенны. Размещение четырех антенн позволяет производить зондирование в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а также дает возможность с помощью наклоненной под углом 20 градусов антенны получать панорамное изображение рельефа дна. Уменьшение рысканий и дифферента решается с помощью хвостового стабилизатора, выполненного в виде широкополосного обода, соединенного с хвостовой частью цилиндрического корпуса пластинчатыми спицами. Стабилизация по крену (вращательное движение вокруг продольной оси) достигается за счет смещения центра тяжести буксируемого тела. Необходимое заглубление буксируемого тела при минимальной вытравке кабель-троса осуществляется путем использования заглубительной решетки, что позволяет осуществлять отведение всей буксируемой системы в сторону от судна-носителя.
Ввиду того что на БПА используют излучатели с узкими характеристиками направленности, то нейтрализация крена и рысканий БПА является определяющим фактором, при выполнении установленных требований, при решении таких задач, как обнаружение и контроль заиленного трубопровода, измерение толщины ила над ним, определение структуры донных слоев, оценка характеристик морского донного грунта, а также при проведении различных поисковых работ на подводных морских сооружениях, включая съемку рельефа дна.
БПА, как правило, используются для океанографических исследований в районах с особо сложными физико-географическими условиями (прикромочные районы Арктики, во фронтальных зонах и вокруг айсбергов). Указанные районы отличаются тем, что в них образуются температурно-соленостные неоднородности и вихри различных масштабов, оказывающие значительное влияние на распределение скорости в месте проведения исследований.
При этом измерения должны производиться непрерывно и при этом, при выявлении неоднородностей, расстояния между разрезами не должно превышать половины минимального диаметра неоднородностей, а частота измерения на разрезах не должна быть меньше 1/8-1/10 диаметра неоднородности (см., например, А.Т. Щвецов. Использование автономных самоходных и буксируемых измерительных комплексов для исследования неоднородностей океанографических полей. // Записки по гидрографии. Л., ГУНиО МО РФ, №253, 2001, с. 48).
БПА - как техническое средство для проведения гидрологических работ - представляет собой динамическую систему, имеющую шесть степеней свободы: три степени свободы по линейным перемещениям, характеризующим траекторию движения БПА по курсу, скорости и глубине погружения, три степени свободы по угловым перемещениям БПА по дифференту, рысканию и крену.
В существующих способах проведения гидрологических работ (съемка рельефа дна, поиск затонувших объектов, мониторинг трубопроводов и т.д.) точность определения параметров посредством, установленных на БПА гидроакустических средств, в основном оценивается по точности определения места судна-носителя и БПА.
Однако при детальной съемке, точность привязки исследуемых подводных элементов к координатам в значительной степени определяется положением на дне пятна, освещаемого гидроакустическим средством, положение этого пятна, в свою очередь, зависит от ориентации и глубины погружения БПА (см., например, В.Н. Завгородний. О влиянии погрешностей ориентации и глубины погружения буксируемого подводного аппарата на точность съемки рельефа дна. // Записки по гидрографии. Л., ГУНиО МОРФ, №253, 2001, с. 33).
Качество гидроакустических зондирований подводных объектов в первую очередь зависит от точности стабилизации положения аппарата по глубине, рысканию, дифференту и крену.
Требования к точности стабилизации аппарата при его буксировке, как правило, определяются шириной характеристики направленности гидроакустического средства в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
При этом глубина погружения регулируется длиной кабель-троса, а стабилизация ориентации по дифференту и рысканию определяется обводами корпуса БПА, местом крепления кабель-троса к корпусу аппарата, фиксированным положением рулей. Кроме того, траектория движения БПА по глубине и ориентация по рысканию и дифференту зависят от скорости буксировки, подводных течений и воздействия волнения моря на судно-буксировщик.
Как показывает выполненный анализ погрешностей съемки дна с использованием гидроакустических средств, установленных на БПА, наибольший вклад в радиальную погрешность вносят погрешности съемки рельефа из-за рыскания, крена и дифферента БПА. Немаловажным фактором является и производительность съемки рельефа дна. Производительность съемки рельефа дна зависит от скорости буксируемого БПА и ширины обследуемой полосы рельефа дна. При увеличении полосы съемки рельефа дна точность съемки ухудшается, что требует повышения кратности зондирования рельефа дна посылками импульсов и, следовательно, ведет к уменьшению скорости буксировки. Скорость буксировки БПА также оказывает противоречивое влияние на качество съемки. При увеличении скорости точность улучшается из-за лучшей стабилизации ориентации и глубины БПА, а кратность зондирования рельефа дна гидроакустическим средством для повышения точности уменьшается, т.е. имеет место задача оптимизации выбора скорости буксировки и ширины полосы, обследуемой гидроакустическим средством.
В известных устройствах стабилизации (Авторское свидетельство SU №1308040 [2]; Авторское свидетельство SU №1360405 [3]) устойчивость движения и ориентации, применительно к надводным судам, достигается за счет использования следящих систем положения рулей как регуляторов с обратной связью для удержания заданного положения судном. Однако известные системы стабилизации [2, 3] имеют сложную конструкцию и существенные массогабаритные характеристики, что практически исключает их применение на БПА, имеющих небольшие массогабаритные характеристики.
Также известно, что все буксируемые средства подвержены рысканию (см., например: Аносов А.В., Дидык А.Д. Управление судном и его техническая эксплуатация. М.: Транспорт, 1976, 504 с.; Знамеровский Б.П. Теоретические основы управления судном. Л.: ЛВИМУ, 1974, с. 124), и полностью исключить влияния рыскания при их буксировке при использовании известных конструкций буксируемых подводных аппаратов, практически невозможно, что не позволяет выполнять буксировку при скорости движения более 3-х узлов из-за наличия в их конструкции заглубительной решетки.
Кроме того, возникают технические проблемы при поиске лежащих под слоем донного ила объектов и трубопроводов. Гидроакустический поиск в таких условиях сопровождается большим количеством ложных тревог. При малой толщине ила над заиленным трубопроводом необходимо использование только высоконаправленных систем для получения высокого разрешения. Одновременно система должна быть низкочастотной для хорошего проникновения сигнала в толщу донных осадков. Проблема контроля трубопроводов возникает, как правило, на мелководье, что требует ограниченных габаритов антенн. В известных конструкциях, с учетом сравнительно небольших размеров заиленных объектов и труб, используют сканирование узкого параметрического луча, что усложняет систему управления подводным буксируемым аппаратом.
Задачей известного технического решения (патент RU 2463203 С2, 10.02.2012 [4]) является повышение достоверности обнаружения подводных объектов и трубопроводов при гидроакустическом поиске за счет повышения точности ориентации буксируемого подводного аппарата путем уменьшения влияния рыскания, дифферента и сноса буксируемого аппарата под действием подводных течений.
Поставленная задача в известном техническом решении [4] (прототип) решается за счет того, что буксируемый подводный аппарат, оснащенный гидроакустической аппаратурой для обнаружения заиленных объектов и трубопроводов и выполненный в виде полого цилиндрического корпуса со съемной головкой и хвостовым стабилизатором, снабженный заглубляющим устройством и оснащенный параметрическим профилографом, вычислительно-управляющим модулем, и соединенный с судном-буксировщиком кабель-тросом, в котором стабилизатор состоит из двух плоскостей, образующих Х-образную конструкцию, заглубляющее устройство выполнено в виде горизонтального крыла и двух вертикальных крыльев, при этом вертикальные крылья установлены на полуосях, расположенных в поперечной плоскости относительно цилиндрического корпуса, и снабжены поворотным механизмом, вертикальные крылья расположены симметрично относительно друг друга, на верхней плоскости цилиндрического корпуса, на горизонтальном крыле установлен буксировочный узел, с герметичным разъемом для крепления кабель-троса и ввода кабеля в буксируемый подводный аппарат, кабель-трос снабжен гидродинамическим заглубителем, выполненным в виде гидродинамического заглубителя, снабженного системой с радиально направленными подпружиненными механическими датчиками, имеющими на концах колеса, в носовой части цилиндрический корпус сочленен с трубчатой скобообразной рамой, концы которой сочленены с соответствующими Х-образными плоскостями стабилизатора, в нижней части цилиндрический корпус снабжен нишей, в которой установлен крейт с закрепленными на нем элементами параметрического профилографа, ниша снабжена обтекателем, выполненным из сферопластика, буксируемый подводный аппарат дополнительно снабжен системой ориентации и навигации, состоящей из бесплатформенной инерциальной системы, информационно соединенного с бортовой аппаратурой управления судна-буксировщика и вычислительно-управляющего модуля буксируемого подводного аппарата, а в параметрическом профилографе, включающем излучающую параметрическую антенну накачки и приемную антенну, средства обработки и регистрации гидроакустических сигналов, излучающая параметрическая антенна накачки и приемная антенна выполнены в виде отдельных устройств, при этом излучающая параметрическая антенна, содержащая фазированную решетку и каналы усиления, выполнена с 12 каналами усиления, фазированная решетка выполнена со смещением линеек излучающих элементов относительно друг друга на фиксированную величину, при этом технологический зазор между элементами излучения заполнен пенополиуретаном, приемная антенна выполнена в виде восьми линеек с фиксированным зазором, каждая из линеек набрана из двадцати полых цилиндрических пьезоэлементов, следующих друг за другом с фиксированным зазором, что выгодно отличает известное техническое решение [4] от аналогов [1-3].
Однако использование известного буксируемого подводного аппарата [4] в непосредственной близости над трубопроводами, также как и аналогов, практически невозможно из-за наличия выступающих конструктивных узлов и элементов. Кроме того, при наличии сложной конфигурации обследуемых подводных объектов из-за ограниченной маневренности буксируемого подводного аппарата в зоне обследования, отдельные труднодоступные узлы и элементы подводных объектов могут оказаться вне зоны нормальной работоспособности измерительной аппаратуры.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение достоверности обнаружения подводных объектов и трубопроводов при гидроакустическом поиске и расширение функциональных возможностей.
Поставленная задача решается за счет того, что буксируемый подводный аппарат, оснащенный гидроакустической аппаратурой для обнаружения заиленных объектов и трубопроводов и последующего их мониторинга, и выполненный в виде полого цилиндрического корпуса со съемной головкой и хвостовым стабилизатором, снабженный заглубляющим устройством и оснащенный параметрическим профилографом, вычислительно-управляющим модулем, и соединенный с судном-буксировщиком кабель-тросом, стабилизатор состоит из двух плоскостей, образующих Х-образную конструкцию, заглубляющее устройство выполнено в виде горизонтального крыла и двух вертикальных крыльев, при этом вертикальные крылья установлены на полуосях, расположенных в поперечной плоскости относительно цилиндрического корпуса, и снабжены поворотным механизмом, вертикальные крылья расположены симметрично относительно друг друга, на верхней плоскости цилиндрического корпуса на горизонтальном крыле установлен буксировочный узел с герметичным разъемом для крепления кабель-троса и ввода кабеля в буксируемый подводный аппарат, кабель-трос снабжен гидродинамическим заглубителем, снабженным системой с радиально направленными подпружиненными механическими датчиками, имеющими на концах колеса, в носовой части цилиндрический корпус сочленен с трубчатой скобообразной рамой, концы которой сочленены с соответствующими Х-образными плоскостями стабилизатора, в нижней части цилиндрический корпус снабжен нишей, в которой установлен крейт с закрепленными на нем элементами параметрического профилографа, ниша снабжена обтекателем, выполненным из сферопластика, буксируемый подводный аппарат дополнительно снабжен системой ориентации и навигации, состоящей из бесплатформенной инерциальной системы, информационно соединенной с бортовой аппаратурой управления судна-буксировщика, и вычислительно-управляющего модуля буксируемого подводного аппарата, который в отличие от прототипа дополнительно содержит активный гидролокатор, n необитаемых малогабаритных самоходных платформ, размещенных в кормовой части буксируемого подводного аппарата и снабженных двигательно-движительным комплексом, системой автоматического управления движением, балластно-уравнительной системой, шасси, магнитометрическим дефектоскопом, идентификатором взрывчатых, отравляющих и радиоактивных веществ, малогабаритной подводной телевизионной аппаратурой, судно-буксировщик снабжено системой управления необитаемой малогабаритной самоходной платформой.
Общие признаки, характеризующие прототип [4] и предлагаемое техническое решение, технически реализуются посредством аналогичных узлов и элементов, приведенных в описании прототипа [4] и представленных на чертежах (фиг. 1-6 прототипа).
В отличие от прототипа [4], предлагаемое техническое решение отличается тем, что буксируемый подводный аппарат дополнительно содержит активный гидролокатор, n необитаемых малогабаритных самоходных платформ, размещенных в кормовой части буксируемого подводного аппарата и снабженных двигательно-движительным комплексом, системой автоматического управления движением, балластно-уравнительной системой, шасси, магнитометрическим дефектоскопом, идентификатором взрывчатых, отравляющих и радиоактивных веществ, малогабаритной подводной телевизионной аппаратурой, судно-буксировщик снабжено системой управления необитаемой малогабаритной самоходной платформой.
Активный гидролокатор предназначен как для обнаружения подводных объектов совместно с параметрическим профилографом, так и для измерения координат и параметров движения необитаемых малогабаритных самоходных платформ. Аналогом активного гидролокатора является активный гидролокатор, приведенный в описании к патенту RU №2545067 С1, 27.03.2015.
Необитаемые малогабаритные самоходные платформы представляют собой платформы типа «SONOBOT», или типа глайдеров (ru.wiktionary.org/wiki/glider), управляемых по гидроакустическому каналу связи, которые размещены в кормовой части буксируемого подводного аппарата в специальном ангаре и снабжены двигательно-движительным комплексом, системой автоматического управления движением, балластно-уравнительной системой, шасси, магнитометрическим дефектоскопом, идентификатором взрывчатых, отравляющих и радиоактивных веществ, малогабаритной подводной телевизионной аппаратурой.
Система автоматического управления движением каждой необитаемой малогабаритной самоходной платформы включает модуль центрального микроконтроллера, который по заданной программе управляет электроприводом, обеспечивающим движение самоходной платформы с учетом текущей скорости, курса, углов крена и деферента, глубины движения. На плате микроконтроллера типа chip45 SAVVY128 размещены микроконтроллер Atmel AVRMega 128, слот для установки флэш-памяти типа ММС или SD, микросхема часов реального времени, два порта RS - 232, микросхема АЦП типа Analog Device AD7718, микросхемы аналоговых мультиплексоров для совместного использования одного порта RS - 232 разными измерительными датчиками текущих параметров движения самоходной платформы, контроллер движителя типа IR3320S и конверторы напряжения питания. Аналоговые каналы оцифровываются с помощью одной 16-разрядной АЦП. С судового компьютера судна-буксировщика вносится программа работы каждой самоходной платформы и выполняются просмотр и обработка полученных данных. Модуль центрального микроконтроллера передает данные с помощью индуктивного модема типа SBE-44 на аналогичный судовой индуктивный модем. Индуктивные модемы служат для передачи текущей телеметрической информации, которая используется для выработки сигналов управления для самоходной платформы с учетом текущих параметров движения самоходной платформы относительно буксируемого подводного аппарата, посредством активного гидролокатора и объекта подводных обследований.
Движительно-рулевой комплекс может быть представлен двумя типами движителей. Колесные движители расположены по два с каждого борта самоходной платформы и крепятся с использованием валов (осей вращения) к двигателям, расположенным внутри полой платформы. Второй тип движителя - винтовой. Располагается в верхней части конструкции в кавитационной неповоротной насадке, прикрепленной к самоходной платформе на вертикально расположенных кронштейнах для увеличения расстояния между винтовой плоскостью и плоскостью верхней части платформы. Сам движитель является двигателем (то есть кавитационная насадка играет роль статора). Это ротор - статорный двигатель (типа RIM-Driven). Устройство может иметь еще несколько (предпочтительно, три) двигателей в задней части самоходной платформы, расположенных под углом друг к другу, для осуществления маневрирования при подходе к точке начала обследования в подводном режиме. Благодаря этому комплекс имеет возможность маневрировать не только на твердой поверхности, например подводном трубопроводе и т.д., но и в водной среде, управляясь в пространстве по 6-ти координатам.
На судне-буксировщике установлена система управления необитаемой малогабаритной самоходной платформы, которая содержит планировщик траекторий, три вычислителя матричных коэффициентов, вычислитель сигнала управления, два блока транспортирования матриц, блок датчиков информации, блок пересчета координат, блок формирования вектора нелинейных элементов, блок формирования матрицы коэффициентов управления, блок формирования матрицы производной вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внутренних координат, блок формирования матрицы производной вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внешних координат, блок формирования вектора внешних скоростей, исполнительное устройство, механический блок, приемопередатчики с приемопередающими антеннами, приемник сигналов спутниковых навигационных систем с приемной антенной.
На каждой необитаемой малогабаритной самоходной платформе установлены приемопередатчик с антенной, исполнительное устройство, механический блок и блок датчиков информации. Вход-выход приемопередатчика соединен с входом-выходом антенны, выход соединен с входом исполнительного устройства, а вход-выход с выходом блока датчиков информации, соединенного своим входом с выходом исполнительного устройства и входом механического блока.
Балластно-уравнительная система представляет собой набор конструктивных элементов, участвующих в создании плавучести аппарата, близкой к нулевой. Основными элементами системы являются детали из синтактика удобообтекаемой формы, располагающиеся в верхней части платформы и внутри ее полости. Косвенно к элементам можно отнести движители-колеса, имеющие положительную плавучесть, возможно регулируемую.
Вычислительная бортовая система (ВБС) расположена в полости платформы-носителя в прочном гидростатическом сферическом герметичном корпусе и представляет собой, по сути, одноплатный промышленный компьютер с установленной операционной системой реального времени и бортовым программным обеспечением, где выполняется в замкнутом цикле программа управления движением и выполнением автоматических действий робота. Электропитание ВБС обеспечивается от распределителя («краба»). В свою очередь электропитание и сигналы внешнего управления поступают на бортовой распределитель («краб») посредством энергоинформационного кабеля, подключенного к блоку энергообеспечения и внешнего управления берегового или судового базирования. С ВБС осуществляют управление всеми системами посредством герметичных управляющих связей, а именно: информационно-измерительным комплексом, движительным комплексом, освещением, манипулятором и т.д., кроме того, ВБС обеспечивает сбор, сохранение и передачу на внешний пульт управления собранной информации. Для отвода тепла система оснащена развитым радиатором большой площади поверхности, соприкасающимся с водной массой.
Вычислительная бортовая система построена на основе микропроцессора 1986 ВЕ93У.
Судовой/береговой блок управления коммутирован с подводной частью системы посредством энергоинформационного подводного герметичного кабеля, состоящего из двух составляющих: информационно-управляющее оптоволокно и силовой кабель. Информационно-управляющее оптоволокно коммутировано с управляющей частью берегового БУ (блок управления) - промышленным компьютером с операционной системой реального времени (ОСРВ) и программным обеспечением для обмена собранной информацией, осуществления обратной связи машина-оператор, вывода текущей информации и сбора информации с информационно-измерительного комплекса. Силовой кабель коммутирован с силовой частью берегового БУ - питающим трансформатором.
Комплекс средств обнаружения аппарата представляет собой систему маяков и маяков-ответчиков: в верхней части конструкции жестко крепятся гидроакустический маяк-ответчик, светоимпульсный маяк и радиомаяк. Маяки используются для осуществления аварийных работ в условиях плохой видимости и поиска аппарата в чрезвычайных ситуациях.
Навигационный комплекс расположен в полости аппарата и представляет собой набор средств для осуществления навигации и позиционирования аппарата. Трехкомпонентный ферромагнитный компас, комплексированный с волоконно-оптическим гирокомпасом, позволяет получать информацию о положении аппарата по углам Эйлера. Позиционирование по линейным координатам осуществляется инерциально благодаря системе датчиков счисления пути и гидроакустическому доплеровскому (либо индукционному) лагу, а также используя сетку координат, заданную по GPS/ГЛOHACC, или используя систему подводной навигации.
Комплекс средств связи представляет собой антенну GPS/ГЛОНАСС, гидроакустическую приемную антенну с ультракороткой базой и маяк-ответчик, а также радиомодем и спутниковый модем.
Указанные устройства могут располагаться на крышке платформы-носителя на мидельной плоскости аппарата.
Информационно-измерительный комплекс является основной информационной системой устройства. Он содержит по меньшей мере средства неразрушающего контроля, акустические системы, интерферометр, магнитный локатор арматуры, ультразвуковую систему для бетонных элементов, ультразвуковую систему определения толщины металла, подводную систему частичного магнитного тестирования (UWMT), радиографические системы (гамма- и рентген-излучений), лазерные системы, стереотелевизионные системы, гидроакустические системы, фото-, видеосистемы, пробоотборники, систему анализа потенциала катодной защиты.
Датчики ультразвукового обследования располагаются массивом в межколесном пространстве или на дополнительной выносной платформе на прижимном механизме для осуществления плотного контакта с поверхностью при дискретном движении устройства.
Датчики могут располагаться на дополнительном манипуляторном устройстве на поворотной основе (располагается на кронштейнах кавитационной насадки винтового движителя) для осуществления работ в труднодоступных участках при обследовании геометрически сложных участков исследуемой поверхности подводной и надводной инфраструктуры.
3
Чувствительность устанавливаемых на борт измерительных датчиков должна быть достаточна для обнаружения в бетонах пустот объемом порядка, как минимум 30 см на глубинах до 300 мм или протяженных пустотных дефектов диаметром 15-20 мм на глубинах до 500 мм.
Комплекс может дополнительно содержать систему обследования протяженных и площадных подводных участков объектов инфраструктуры, содержащую размещенное на борту подвижного объекта вычислительное устройство, выполненное с возможностью подключения к каналам передачи информации. Это делает возможным определять дистанционно с пульта оператора аномалии и дефекты, а также системно и всецело их обследовать.
Обследовательский комплекс может также дополнительно содержать контактно-очистительную систему типа циркулярной щетки и бесконтактную кавитационную гидропушку, а также средства механической обработки: циркулярную пилу, шлифовальный круг и прочие известные механические или электромеханические устройства.
Подвижная платформа оснащена двумя типами движительных устройств, обеспечивающих ее перемещение в пространстве по трем степеням свободы при движении по плоскости.
Поступательное движение платформы вперед и реверсивное движение измерительного комплекса, а также движение платформы в стороны и поворот ее вокруг вертикальной собственной оси по углу курса обеспечивают спаренные между собой по бортам движители колесного типа (либо гусеничные траки, опирающиеся, помимо ведущего колеса-звезды, на ведомые поддерживающие ролики на плавающем креплении, для обеспечения плавности хода и возможности огибания неровностей), выполненные из жесткого либо упругого с шиловидной насечкой (в зависимости от степени обрастания биотой поверхности), устойчивого к коррозии и истиранию материала. Движители участвуют в создании плавучести и являются важным элементом конструкции. Опционально имеют шипы противоскольжения для создания хорошего сцепления со скользкой, обросшей биотой поверхностью. Момент на каждый из движителей передается от герметичных двигательных блоков посредством магнитной муфты. В зависимости от показаний гироскопических датчиков гидравлические или электромеханические приводы изменяют расстояния от днища платформы до поверхности основы, по которой перемещается платформа, с целью увеличения проходимости всего устройства. Движитель винтового типа, основанный на использовании двигателя типа RIM-Driven (статор-роторный двигатель) и расположенный в центре корпуса, обеспечивает позиционирование системы по третьей степени свободы вдоль собственной вертикальной оси, по сути, прижимая ее к исследуемой поверхности, путем создания упора P, выбрасываемой струей забортной воды через сопла. Таким образом, комплекс, находясь под водой, имеет возможность перемещаться по различным неметаллическим поверхностям, в том числе вертикальным и наклонным, по различным траекториям (например, галсами), поступательно изменять направление на 90 градусов без осуществления поворота, разворачиваться на месте и преодолевать возникшие на пути препятствия. При движении не по поверхности, а в толще воды (в режиме выхода в точку обследования) аппарат может управляться, маневрируя по 6-ти координатам, применяя для этого установленные бортовые движители. На борту платформы также расположены в нижней его части информационно-измерительный комплекс и блок системы управления в прочном корпусе.
На легком безынерциальном манипуляторе также могут быть установлены датчики системы неразрушающего контроля для анализа труднодоступных поверхностей (донная часть гидротехнической инфраструктуры, основания, зоны контакта с дном); возможно размещение механических средств для проведения технических работ (циркулярной пилы, схвата, шлифовальных кругов и прочих известных механических устройств) для выполнения сложных подводных задач без привлечения аквалангистов; другие типы и виды систем, в зависимости от поставленной технической задачи
Судно-буксировщик содержит штатные судовые средства постановки буксируемого подводного аппарата, оснащенного гидроакустическими средствами зондирования подводной обстановки. К средствам постановки относятся лебедки, подъемные краны и т.д.
Внутри прочного корпуса буксируемого подводного аппарата установлены приборы параметрического профилографа, система ориентации и навигации, вычислительно-управляющий модуль, активный гидролокатор с приемопередающей антенной.
Управление буксируемым подводным аппаратом осуществляется, как и в прототипе, посредством бортовой аппаратуры, установленной в пульте управления на борту судна-буксировщика.
Конструктивно буксируемый подводный аппарат может быть выполнен как и в прототипе и включать трубчатую скобообразную раму, стабилизатор, вертикальные крылья горизонтальное крыло, буксировочный узел, включающий силовую гребенку, позволяющую менять точку приложения усилия буксировки.
На концевых участках горизонтального крыла установлены вертикальные крылья, выполненные в виде элерона, и представляют собой рули активной стабилизации буксируемого подводного аппарата по крену.
Буксировочный кабель-трос выполнен с учетом больших скоростей буксировки (до 8,2 уз). Так как по кабель-тросу передается большой объем информации от параметрического профилографа и приборов навигации на судно-буксировщик и передача команд управления на буксируемый аппарат, то конструкция кабель-троса имеет два оптических канала связи. Для заполнения сердечника и расширения функционального использования кабель-троса в его конструкцию введены шесть сигнальных проводников.
В конкретном исполнении использован кабель-трос типа КГ (6×0,2+2×100 В)-70-90, отвечающего вышеизложенным требованиям.
Устройство заглубления представляет собой гидродинамический заглубитель, который осуществляет перемещение буксируемого аппарата по вертикали на рабочие глубины при заданных скоростях буксировки и длинах кабель-троса.
Пульт управления буксируемым подводным аппаратом установлен на палубе судна-буксировщика. В пульте управления расположен силовой блок, обеспечивающий преобразование электроэнергии и питание механизмов и оборудования буксируемого аппарата, блок электроники, персональный компьютер и органы управления.
Силовой блок стойки управления представляет собой инвертор, преобразующий однофазное судовое напряжение - 220 В, 50 Гц в постоянное напряжение 600 В для передачи его по кабель-тросу на буксируемый подводный аппарат. Силовой блок обеспечивает набор необходимых напряжений для питания органов управления судового палубного блока. Силовой блок снабжен индикаторами включения судового напряжения и напряжения питания аппаратуры буксируемого подводного аппарата.
Блок электроники имеет модуль системы передачи, приема и обработки информации (системы телеметрии), обеспечивающий обмен информацией с буксируемым подводным аппаратом по оптоволоконному кабелю и ее обработку.
На панели блока электроники установлен индикатор длины кабель-троса от кормы судна-буксировщика до буксируемого подводного аппарата. Сигнал к панели поступает от счетчика длины, установленного на буксирном блоке судового спуско-подъемного устройства.
В судовом палубном блоке расположен системный блок персонального компьютера, монитор и клавиатура на консоли.
На выносной консоли судового палубного блока установлены две рукоятки управления (манипуляторы). Один манипулятор предназначен для управления лаговым движением буксируемого подводного аппарата, второй - для дистанционного управления лебедкой.
На стандартной стойке судового палубного блока предусмотрена установка откидных панелей, предназначенных для крепления дублирующих персональных, компьютеров и вывода вспомогательной информации.
В состав системы ориентации и навигации входят датчики первичной информации, выполненные по технологиям микросистемной техники, а также аппаратные средства для сбора, предварительной обработки информации и реализации программно-алгоритмического обеспечения для решения задач ориентации и навигации.
Датчики первичной информации включают микромеханические гироскопы, микромеханические акселерометры, микромагнитометр векторный.
Аппаратные средства включают многоканальный аналого-цифровой преобразователь и цифровой сигнальный процессор.
Основой системы ориентации и навигации является бесплатформенная микромеханическая курсовертикаль. Курсовертикаль и вычислитель образуют микромеханический инерциальный измерительный блок (МИИБ). Блок предназначен для измерения углов курса, крена и дифферента буксируемого подводного аппарата 2, составляющих векторов угловой скорости, линейного ускорения, компонент магнитного поля. В качестве чувствительных элементов используются микромеханические датчики угловой скорости и линейного ускорения. Для измерения компонента магнитного поля используется магниторезистивный магнитометр. Магнитометр используется в качестве корректора МИИБ для компенсации погрешностей угловой ориентации, возникающих вследствие дрейфа микромеханических гироскопов. Аналоговые данные, поступающие с датчиков первичной информации, обрабатываются аналого-цифровым преобразователем высокой разрядности. Для реализации вычислительных алгоритмов в состав блока входит высокопроизводительный цифровой сигнальный процессор.
В качестве базовых чувствительных элементов в предлагаемом устройстве используется МИИБ, содержащий три датчика угловой скорости и три акселерометра, встроенный датчик температуры и собственный контроллер, обеспечивающий предварительную обработку сигналов гироскопов и акселерометров и выдачу ее в цифровом виде потребителям. Встроенный датчик температуры предназначен для коррекции температурных дрейфов датчиков угловой скорости и акселерометров. В качестве измерителя индукции магнитного поля используются магниторезистивные датчики. В качестве вычислителя применен цифровой сигнальный процессор Sharс ADSP21262LQFP.
Аппаратные средства системы управления, входящие в состав системы, обеспечивают независимое управление приводов каналов крена и курса, осуществляют измерение углов курса, крена и дифферента буксируемого подводного аппарата, измерение компонент векторов угловой скорости, линейного ускорения, магнитного поля, формируют управляющие сигналы для решения целевых задач управления и стабилизации.
Основным элементом вычислительно-управляющего модуля является микропроцессор на базе DSP-процессора, работающего под управлением встраиваемой операционной системы uCLinux.
Независимый привод каждого из каналов управления построен на основе системы привода производства компании Faulhaber. Высокоточная цифровая система управления приводом обеспечивает высокое быстродействие, позволяет регулировать параметры привода в широком диапазоне, обеспечивает точное позиционирование по углу поворота оси привода колеса.
Микромеханический инерциальный измерительный блок (МИИБ) определяет углы курса, крена и дифферента, обеспечивает систему управления инерциальной и навигационной информацией.
Вычислительно-управляющий модуль на основе DSP-процессора является устройством, обеспечивающим программную и аппаратную интеграцию отдельных блоков, входящих в состав аппаратных средств системы. Процессор позволяет выполнять операции над 32-разрядными числами в формате с плавающей запятой, что обеспечивает точность вычислений, достаточную для решения большинства задач управления и навигации. Тактовая частота процессора составляет 400 МГц. Помимо процессора в состав платы вычислительно-управляющего модуля входят микросхемы памяти SDRAM, микросхемы памяти flash, микросхемы интерфейсов ввода-вывода. Такое построение системы позволяет решать в реальном времени сложные вычислительные задачи, большой объем оперативной памяти системы позволяет осуществлять реализацию ресурсоемких алгоритмов.
Различные компоненты системы управления и навигации подключены к вычислительно-управляющему модулю с помощью последовательных синхронных и асинхронных портов ввода-вывода. Контроллеры привода каналов управления подключены к модулю с помощью асинхронных портов ввода-вывода UART0 и UART1. С помощью данных интерфейсов контроллерам передаются команды, задающие режимы движения валов, а контроллеры, в свою очередь, обеспечивают модуль информацией об угловом положении валов, токах в двигателях, скорости вращения.
Микромеханическая курсовертикаль в составе МИИБ подключена к вычислительному модулю с помощью синхронного последовательного порта SPORT. Вывод данных, а также управление оператором осуществляется с помощью блока, реализующего двунаправленный канал передачи данных, подключенного к вычислительно-управляющему модулю с помощью асинхронного интерфейса UART2. Все операции обмена между модулем и периферийными устройствами осуществляются с помощью использования механизмов DMA (прямого доступа к памяти), что позволяет, несмотря на интенсивность операций обмена данными, разгрузить ядро цифрового сигнального процессора.
Система управления и стабилизации буксируемого подводного аппарата по крену и курсу предназначена для задания ориентации в пространстве установленного на нем параметрического профилографа. Для управления ориентацией вокруг одной оси используется система привода, состоящая из двигателя постоянного тока с редуктором и магнитным энкодером и системы управления. Двигатель постоянного тока типа «Faulhaber» имеет конструкцию с полым ротором, что дает ряд преимуществ, таких как низкое энергопотребление, отсутствие потерь в сердечнике ротора, низкое напряжение трогания, малый момент инерции ротора, позволяющие быстрые разгон и торможение, низкие массогабаритные показатели. В составе привода использован редуктор типа «Faulhaber» в исполнении со стальными шестернями для обеспечения повышенной износоустойчивости. Магнитный энкодер IE-512 обеспечивает высокое разрешение в 512 линий на оборот, что позволяет осуществлять плавное и высокоточное управление приводом.
В цифровом контроллере MCDC3003 в качестве вычислителя используется цифровой сигнальный процессор, что позволяет осуществлять высокоточное и высокоскоростное управление (0.18° - ошибка по углу, частота работы следящего контура - 100 Гц). Цифровой контроллер привода принимает по интерфейсу UART поступающие от вычислительно-управляющего модуля команды. Режимы работы привода задаются соответствующими форматами команд, при этом используются режимы управления по угловому положению (задается и поддерживается по достижении целевое угловое положение) и управления по скорости (задается величина угловой скорости вращения вала). Для настройки параметров следящего контура контроллера пользователю предлагается ряд параметров, таких как максимальное угловое ускорение, максимальная угловая скорость, максимальный ток в двигателе, пропорциональный и интегральный коэффициенты цепи обратной связи по угловой скорости, пропорциональный и дифференциальный коэффициенты цепи обратной связи по угловому положению вала. Все вышеперечисленные коэффициенты могут быть подобраны исходя из заданного критерия оптимальности, и изменены в процессе работы для адаптации к изменившемуся режиму движения.
Для решения задач навигации буксируемого подводного аппарата как и в прототипе используются следующие варианты аппаратного обеспечения.
1. Определение координат относительно буксирующего судна на основе информации о длине троса и угла, измеряемого на буксирующем судне либо на буксируемом подводном аппарате с помощью курсовертикали.
2. Определение координат относительно буксирующего судна на основе информации о длине троса и угловой азимутальной скорости, измеряемой с помощью датчика угловой скорости в составе курсовертикали.
3. Определение координат относительно буксирующего судна на основе информации от датчика скорости буксируемого подводного аппарата и азимутального угла ориентации буксируемого подводного аппарата от курсовертикали.
4. Определение координат с помощью инерциальной системы.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
После спуска буксируемого подводного аппарата за борт в районе предполагаемых исследований, посредством многолучевого параметрического профилографа, работающего на принципах нелинейной параметрической акустики, выполняют обследования трубопроводов и других заиленных объектов природного и техногенного происхождения. Получаемая информация в режиме реального времени обрабатывается и передается на борт судна-буксировщика.
Аналоги параметрического профилографа приведены в кн.: Воронин В.А., Тарасов В.И., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. ООО «Ростиздат» Ростов-на-Дону, 2004, с. 224-252.
Посредством параметрического профилографа обнаруживают акустические неоднородности, определяют их координаты, производят классификацию по геометрическим признакам.
Приемная антенна параметрического профилографа имеет широкую диаграмму направленности с одноканальным приемом при размере активной поверхности 300×152 мм и чувствительности 500 мкВ/Па и выполнен в виде набора полых цилиндрических пьезоэлементов с акустическим мягким экраном, с размером активной поверхности 300×152 мм, имеющих следующие параметры: высота - 12 мм, диаметр - 15 мм, толщина - 1 мм, выполненных из сплав ЦТС-19М. Чувствительность для отдельного элемента приемной антенны составляет 85 мкВ/Па.
2
2
Ввиду того что непосредственный акустический контакт активных элементов приемной антенны с нагружающей средой и элементами конструкции может привести к их демпфированию и уменьшению чувствительности, то с целью минимизации демпфирующего действия указанных факторов применены полые цилиндры с акустически мягким экраном. В качестве акустического экрана возможно применение полиуретановых пенопластов, обладающих достаточно высокой механической жесткостью, которая позволяет избежать недопустимых деформаций датчика на рабочих глубинах. В то же время, удельный акустический импеданс полиуретановых пенопластов z=300-400 кг/(мс) значительно меньше его характерных значений у пьезокерамических материалов z=3⋅107 кг/(мс), что позволяет считать акустические экраны, выполненные из таких материалов, близких к идеальным.
Применение акустического экрана в конструкции приемной антенны позволяет избавиться от нежелательного тыльного лепестка в ее диаграмме направленности.
Система каналов связи и обмена данными с аппаратурой профилографа, другими составными частями профилографа и внешними системами включает в себя:
1) оптический канал связи Fast Ethernet 100BaseFX между бортовой и забортной аппаратурой профилографа и в том числе оптический модуль, и медиаконвертер;
2) канал связи RS-232 между забортной аппаратурой профилографа и забортной аппаратурой подводного буксируемого устройства;
3) канал связи Ethernet 100BaseTX с многолучевым эхолотом или гидролокатором бокового обзора;
4) канал связи Ethernet 100BaseTX с планшетом рулевого;
5) канал связи Ethernet 100BaseTX с системой относительного подводного позиционирования буксируемого устройства;
6) канал связи RS-232 с приемником GPS;
7) канал связи RS-232 с устройством электропитания;
8) резервный канал связи Ethernet 100BaseTX с внешними системами.
Прием и передача информации в системе осуществляется по интерфейсу Ethernet. Физический канал связи - оптическое одномодовое волокно. Связь обеспечивается микроконтроллером AVR32 фирмы Atmel.
При обнаружении подводных объектов при буксировке подводного аппарата посредством параметрического профилографа обнаруживают акустические неоднородности, определяют их координаты, производят классификацию по геометрическим признакам. Буксируемый подводный аппарат способен производить поперечные горизонтальные перемещения при движении судна-буксировщика прямым курсом, что увеличивает зону обследования и производительность буксируемой системы. В зависимости от заданного режима гидроакустической съемки он способен перемещаться на различных расстояниях от морского дна. Предлагаемый буксируемый подводный аппарат в отличие от известных аналогичных устройств имеет широкий диапазон скоростей буксировки (до 8 узлов).
Для детального обследования обнаруженного подводного объекта по команде с буксировочного судна выпускают необитаемые малогабаритные самоходные платформы, размещенные в кормовой части буксируемого подводного аппарата, которые снабжены двигательно-движительным комплексом, системой автоматического управления движением, балласто-уравнительной системой, шасси, магнитометрическим дефектоскопом, идентификатором взрывчатых, отравляющих и радиоактивных веществ, малогабаритной подводной телевизионной аппаратурой.
При этом, между буксируемым подводным аппаратом и необитаемыми малогабаритными самоходными платформами устанавливается подводная радиосвязь, посредством приемопередатчика с антенной. При этом вход-выход приемопередатчика соединен с входом-выходом антенны, выход соединен с входом исполнительного устройства, а вход-выход с выходом блока датчиков информации, соединенного своим входом с выходом исполнительного устройства и входом механического блока, что позволяет транслировать сигналы управления на исполнительные устройства необитаемых малогабаритных самоходных платформ.
Активный гидролокатор с антенной, установленные на буксируемом подводном аппарате, осуществляют обнаружение и захват на сопровождение необитаемых малогабаритных самоходных платформ, начальные координаты которых устанавливают по координатам самого буксируемого подводного аппарата. В дальнейшем осуществляется сопровождение необитаемых малогабаритных самоходных платформ активным гидролокатором и поддержание максимумов характеристик направленности антенн гидролокатора и приемопередатчика буксируемого подводного аппарата на необитаемые малогабаритные самоходные платформы.
После захвата каждой необитаемой малогабаритной самоходной платформы на сопровождение активный гидролокатор уточняет дальность до него от буксируемого подводного аппарата и углы его визирования с буксируемого подводного аппарата в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Измеренные дальность и углы визирования однозначно определяют координаты каждой необитаемой малогабаритной самоходной платформы относительно буксируемого подводного аппарата и соответственно судна-буксировщика. Далее они поступают на блок пересчета координат, на который также поступают вектор внешних координат судна-буксировщика, где осуществляется преобразование вектора внешних координат судна-буксировщика в вектор внешних координат необитаемой малогабаритной самоходной платформы и его производную с учетом измеренных дальности и углов визирования. На первом выходе блока пересчета координат формируется вектор, а на втором его выходе производная - вектор. Координаты вектора с первого выхода блока пересчета координат поступают на второй вход планировщика, на вход блока транспортирования матриц, на вычислитель и соответствующие входы блоков формирования матрицы - производной вектора-столбца внешних скоростей по вектор-строке внутренних координат, блок формирования матрицы производной вектора-столбца внешних скоростей по вектор-строке внешних координат, блок формирования вектора внешних скоростей, а координаты вектора со второго выхода блока пересчета координат на первый вход блока транспортирования матриц.
Планировщик под действием управляющих сигналов z и y формирует на своих выходах управляющие сигналы, такие как траекторная (контурная) скорость необитаемых малогабаритных самоходных платформ, матрицы квадратичных форм от внешних координат, диагональные матрицы постоянных коэффициентов размерностью равной числу измеренных координат, которые поступают на вычислитель, где формируется матрица сигнала управления скорость необитаемых малогабаритных самоходных платформ по известным алгоритмам (В.Х. Пшихопов. Аналитический синтез синергетических регуляторов для позиционно-траекторных систем управления мобильными роботами. Материалы XI научно-технической конференции «Экстремальная робототехника». Под научной редакцией проф. Е.И. Юревича - СПб.: СПбГТУ. 200).
В качестве активного гидролокатора может быть использован модуль типа «Сарган - ЭМ», работающий на частотах 19,7 и 135 кГц, имеющий дальность обнаружения одиночной цели 1200 м или гидролокаторы типа «C3D - SBP» или типа «C3D - LPM».
Информационно-измерительный комплекс является основной информационной системой устройства. Он содержит по меньшей мере средства неразрушающего контроля, акустические системы, интерферометр, магнитный локатор арматуры, ультразвуковую систему для бетонных элементов, ультразвуковую систему определения толщины металла, подводную систему частичного магнитного тестирования (UWMT), радиографические системы (гамма- и рентген-излучений), лазерные системы, стереотелевизионные системы, гидроакустические системы, фото-, видеосистемы, пробоотборники, систему анализа потенциала катодной защиты, которые запускаются работу по командам, передаваемых с судна-буксировщика.
Наличие на борту буксируемого подводного аппарата необитаемых малогабаритных самоходных платформ, снабженных соответствующей измерительной аппаратурой, обеспечивает доступ к труднодоступным узлам и элементам обследуемых подводных объектов.
Предлагаемое устройство должно найти широкое применение при решении задач развития техники гидроакустических систем обследования подводной обстановки, позиционирования подводных объектов, мониторинга дна и состояния трубопроводов, а также проведения водолазных работ. В отличие от существующих систем, предлагаемое устройство для зондирования морского дна способно совершать поперечные перемещения при движении судна-буксировщика прямым курсом в широком диапазоне скоростей буксировки.
Промышленная реализация заявляемого технического решения сложности не представляет, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического предложения условию патентоспособности «промышленная применимость».
Источники информации
1. В.А. Воронин, С.П. Тарасов, В.И. Тимощенко. Гидроакустические параметрические системы. Ростов-на-Дону. ООО Ростиздат. 2004, с. 257.
2. Авторское свидетельство SU №1308040.
3. Авторское свидетельство SU №1360405.
4. Патент RU №2463203 С2, 10.02.2012.