МАЛОГАБАРИТНЫЙ АВТОНОМНЫЙ НЕОБИТАЕМЫЙ ПОДВОДНЫЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к судостроению, а более конкретно к подводной робототехнике, в частности к малогабаритным автономным необитаемым подводным аппаратам (АНПА), предназначенным для выполнения широкого круга исследовательских, поисковых и подводно-технических работ на мелководье.
Известен АНПА «GAVIA» модульной конструкции, торпедообразной формы, корпус которого состоит из носового, среднего и кормового отсеков. Средний отсек состоит из нескольких модулей: модуля навигационной гидроакустической системы, антенно-рулевого модуля, модуля гидролокатора, модуля доплеровского лага, модуля датчиков крена и дифферента, модуля эхолокационной системы, модуля бортового компьютера и автопилота, а также модуля автономного источника электроэнергии. В носовом отсеке расположены радиолокационный датчик, датчики навигационной гидроакустической и эхолокационной систем, а также малогабаритные цифровые видеокамеры. В кормовом отсеке находится двигательно-рулевая система. Датчик CTD (удельная проводимость, температура и глубина) установлен снаружи корпуса АНПА. Отсеки АНПА «GAVIA» и модули в них скреплены между собой стержнями, проходящими вдоль их центральной оси по всей длине аппарата. Каждый модуль среднего отсека имеет прочный цилиндрический корпус с внутренним каркасом, предназначенным для размещения в нем соответствующей аппаратуры, в том числе портативной ЭВМ с комплектом программного обеспечения. Антенный модуль крепится на пилоне к модулю горизонтальных рулей. Система связи «GAVIA» разработана для обеспечения надежного обмена управляющими командами и данными между «GAVIA» и оператором на судне. (Thorhallsson Т. GAVIA - a Modular Compact
AUV for Deep // International Ocean Systems. - 2003. - January / February. - p.6-10).
Недостатками АНПА «GAVIA» являются:
- недостаточная для плавания в условиях течений скорость АНПА;
- осложненная конструкция движительно-рулевого комплекса, обусловленная расположением горизонтальных и вертикальных рулей в различных модулях среднего и кормового отсеков;
- наличие человеческого фактора - оператора, обеспечивающего связь с АНПА, а также доставка аппарата в намеченное место и спуск его на воду осуществляются с помощью обеспечивающего судна;
- датчик удельной проводимости, температуры и глубины, установленный снаружи АНПА, ухудшает его гидродинамические характеристики при движении аппарата под водой;
- относительно высокие массогабаритные характеристики АНПА уменьшают его маневренность на мелководье, во внутренних водоемах и в пределах шельфовой зоны при проведении гидрографической разведки.
Известен другой, выбранный в качестве прототипа, малогабаритный АНПА «REMUS».
АНПА «REMUS» модульной конструкции, торпедообразной формы, корпус которого состоит из носового, среднего и кормового отсеков. Средний отсек состоит из нескольких модулей: модуля навигационной гидроакустической системы, модуля двухчастотного гидролокатора бокового обзора, модуля доплеровского лага, модуля доплеровского акустического профилографа, модуля датчиков крена и дифферента, модуля эхолокационной системы, модуля бортового компьютера и автопилота, а также модуля автономного источника электроэнергии. Датчик CTD (удельная проводимость, температура и глубина) установлен снаружи корпуса АНПА. В носовом отсеке расположены обтекатель из диэлектрика и контакты для зарядного устройства донного причального сооружения, обеспечивающего подачу электроэнергии на АНПА для перезарядки его аккумуляторной батареи. В кормовом отсеке
находятся двигательно-рулевая система. Отсеки АНПА «REMUS» и модули в них скреплены между собой винтами. Каждый модуль среднего отсека имеет прочный цилиндрический корпус с внутренним каркасом, предназначенным для размещения в нем соответствующей аппаратуры. (http://www.hydroidinc.com/remus.htm).
По сравнению с известным аналогом АНПА «GAVIA», выбранный в качестве прототипа АНПА «REMUS» обладает следующими преимуществами:
- компактные размеры и вес;
- высокая точность навигации, обеспечивающая восстановление маршрута;
- улучшенная конструкция двигательно-рулевого комплекса. Несмотря на вышеперечисленные преимущества, прототип имеет следующие недостатки:
- необходимость работы АНПА «REMUS» с обеспечивающим судном;
- затрудненность движения АНПА в условиях сильных речных течений и проливных зон морей из-за недостаточной мощности электродвигателя, что практически затрудняет, либо вовсе не позволяет проводить исследования и осмотр водных объектов, скорость течения которых превышает 2 м/с;
- датчик удельной проводимости, температуры и глубины, установленный снаружи АНПА, ухудшающий его гидродинамические характеристики при движении аппарата под водой;
- невозможность быстрой замены функциональных модулей из-за множества винтовых соединений;
- затрудненность движения аппарата в местах скопления подводной растительности.
Кроме того, проект АНПА «REMUS», в части касающейся передачи электроэнергии на борт аппарата, предусматривает использование индуктивной связи. В носовой части АНПА размещены катушки индуктивности массой 1,5-2,0 кг (общая масса АНПА «REMUS» около 40 кг). Такое конструктивное
решение аппарата приводит к необоснованной перегрузке носовой части аппарата, и как следствие, к нарушению его дифферентовки.
Недостатки, присущие выбранным известным аналогу и прототипу, устранены в заявляемой полезной модели «Малогабаритный автономный необитаемый подводный аппарат», технической задачей которой является: создание нового малогабаритного АНПА для подводно-технических работ во внутренних водоемах и на шельфе.
Реализация указанной технической задачи заявляемой полезной моделью позволяет добиться следующего технического результата:
- созданный малогабаритный АНПА расширяет арсенал уже имеющихся средств для подводно-технических работ;
- снижены массогабаритные характеристики выполненного из стеклопластика АНПА, за счет рационального использования внутреннего объема отсеков и размещения модулей радиоэлектронной аппаратуры на шасси в виде полозьев внутри единого прочного корпуса среднего отсека, а также электродвигателя и автономного источника электроэнергии внутри кормового отсека - соответственно;
- уменьшение массогабаритных характеристик привело к повышению маневренности аппарата, а использование в аппарате безколлекторного двигателя постоянного тока с микропроцессорным управлением позволило увеличить скоростные характеристики АНПА;
- корректировка угла наклона антенн гидролокатора бокового обзора позволяет увеличивать, либо уменьшать ширину полосы обзора высокочастотного гидролокатора в зависимости от глубины исследуемого водного объекта и поставленных перед аппаратом задач;
- прочность и герметичность разъемного соединения отсеков достигается благодаря использованию клиноцанговых соединений, которые надежны в эксплуатации и кроме того обеспечивают наиболее быстрый доступ к радиоэлектронной аппаратуре отсеков при техническом обслуживании;
- использование гребного винта с остро заточенными металлическими лопастями позволяет разрезать подводную растительность, увеличивая тем самым маневренность АНПА в густо заросших травой водоемах;
- использование в бортовом компьютере накопителя на жестком диске большой емкости позволяет сохранять в процессе выполнения подводно-технических работ всю необходимую информацию, а наличие в АНПА входа Ethernet-порта и коаксиального (оптоволоконного) кабеля дает возможность передачи накопленной информации потребителю со скоростью до 1000 Мбит/с;
- рациональное размещение выбранного автономного источника электроэнергии внутри кормового отсека АНПА позволяет уменьшить массогабаритные характеристики аппарата в целом, сохранив при этом высокие значения напряжения и разрядной мощности, исключительно малый саморазряд, даже при высокой температуре, и отсутствие потребности в обслуживании литий-ионных батарей в процессе эксплуатации.
Для достижения указанного технического результата заявлен малогабаритный автономный необитаемый подводный аппарат модульной конструкции, имеющий выполненный из стеклопластика корпус торпедообразной формы, содержащий носовой, средний и кормовой отсеки. В носовом отсеке расположены радиолокационный маяк и датчики эхолокационной системы, а в среднем отсеке расположена радиолокационная аппаратура, включающая доплеровский лаг, интегрированный магнитный компас с датчиками крена и дифферента, датчик глубины, блок эхолокационной системы, блок гидроакустической навигационной системы с антенной, блок гидролокатора бокового обзора с двумя побортно расположенными антеннами, блок бортового компьютера и автопилота. В кормовом отсеке расположены автономный источник электроэнергии, электродвигатель постоянного тока, горизонтальные и вертикальные рули с электроприводами, а также трехлопастной гребной винт.
Принципиальным отличием предлагаемого малогабаритного АНПА от выше известного прототипа АНПА «REMUS» является то, что средний отсек в заявляемом устройстве имеет единый прочный корпус и соединен с носовым и кормовым отсеками при помощи клиноцанговых соединений, причем металлические элементы клиноцангового соединения прикреплены к корпусу малогабаритного автономного необитаемого подводного аппарата, выполненного из стеклопластика. Внутри среднего и кормового отсеков неподвижно закреплены соответствующие отсекам направляющие, с возможностью движения по ним шасси, в виде полозьев, на которых расположены радиоэлектронная аппаратура среднего отсека и конструктивные элементы кормового отсека соответственно. Кормовой отсек и гребной винт скреплены между собой резьбовым соединением, кроме того гребной винт имеет остро заточенные металлические лопасти для разрезания подводной растительности.
Другими дополнительными отличиями предлагаемого малогабаритного АНПА от известного АНПА «REMUS» является то, что в заявляемом устройстве антенны гидролокатора бокового обзора расположены побортно, с возможностью корректировки угла наклона антенн. Бортовой компьютер снабжен накопителем на жестком диске, с возможностью передачи информации через Ethernet-порт. Электродвигатель постоянного тока выполнен безколлекторным с микропроцессорным управлением. Автономный источник электроэнергии имеет семь литий-ионных батарей, соединенных последовательно и размещенных спиралеобразно внутри корпуса источника электроэнергии.
Благодаря наличию всех этих отличительных конструктивных элементов и их взаимному расположению, рационально использованному внутреннему объему всех отсеков, уменьшены массогабаритные характеристики АНПА. Предложенная форма винта, наличие безколлекторного электродвигателя постоянного тока увеличили скоростные характеристики АНПА, его маневренность. Применение в аппарате клиноцанговых соединений повысило надежность в эксплуатации корпуса АНПА.
Сущность полезной модели «Малогабаритный автономный необитаемый подводный аппарат» поясняется чертежами: фиг.1 Структурная схема; фиг.2. Автономный источник электроэнергии (поперечный разрез и вид сбоку).
Фиг.1 Структурная схема, где указаны:
I - носовой отсек
1 - датчики эхолокационной системы;
2 - радиолокационный маяк;
3 - клиноцанговые соединения.
II - средний отсек
4 - блок эхолокационной системы;
5 - блок навигационной гидроакустической системы;
6 - антенна навигационной гидроакустической системы;
7 - блок доплеровского лага, интегрированного магнитного компаса с датчиком крена и дифферента и датчик глубины;
8 - блок гидролокатора бокового обзора;
9 - шасси;
10 - направляющие;
11 - антенны гидролокатора бокового обзора;
12 - блок бортового компьютера и автопилота.
III - кормовой отсек
13 - автономный источник электроэнергии;
14 - электродвигатель;
15 - электроприводы горизонтальных и вертикальных рулей;
16 - вертикальные рули;
17 - горизонтальные рули;
18 - резьбовое соединение;
19 - вал;
20 - гребной винт;
21 - прочный корпус.
Заявляемый малогабаритный автономный необитаемый подводный аппарат представляет собой техническую систему торпедообразной конструкции. Единый герметичный прочный корпус 21 фиг.1 обтекаемой формы образован отсеками I, II, III фиг.1, жестко сочлененными между собой клиноцанговыми соединениями 3 фиг.1. Выполненный из стеклопластика прочный корпус 21 фиг.1 обеспечивает защиту большинства элементов полезной нагрузки, автономного источника электроэнергии 13 фиг.1 и электродвигателя 14 фиг.1 от воздействия внешних факторов, вызываемых спецификой функционирования АНПА (гидростатическое и гидродинамическое давление, влага, удары о грунт и. т.д.). Корпус подводного аппарата 21 фиг.1 разделен на три отсека: округлый носовой I фиг.1, цилиндрический средний II фиг.1 и конический кормовой III фиг.1. В носовом отсеке аппарата I фиг.1 размещены датчики эхолокационной системы 1 фиг.1 и радиолокационный маяк 2 фиг.1, основной функцией которого является подача радиосигнала для обнаружения подводного аппарата после окончания работ или в случае разряда автономного источника электроэнергии 13 фиг.1. В среднем отсеке II фиг.1 внутри прочного корпуса 21 фиг.1 АНПА размещены блок эхолокационной системы 4 фиг.1, блок навигационной гидроакустической системы 5 фиг.1, антенна навигационной гидроакустической системы 6 фиг.1, блок гидролокатора бокового обзора 8 фиг.1, блок бортового компьютера и автопилота 12 фиг.1. Антенна навигационной гидроакустической системы 6 фиг.1 жестко прикреплена за пределами прочного корпуса 21 фиг.1 и закрыта акустически прозрачным обтекателем. Бортовой компьютер и автопилот входят в состав системы программного управления АНПА и размещены в объединенном блоке бортового компьютера и автопилота 12 фиг.1. В свою очередь, выполняя функцию управления и навигации доплеровский лаг, интегрированный магнитный компас с датчиком крена и дифферента и датчик глубины также объединены в модуле 7 фиг.1. Шасси 9 фиг.1 в виде полозьев с расположенными на них блоками радиоэлектронной аппаратуры среднего отсека свободно перемещаются по жестко закрепленным внутри корпуса АНПА направляющим
10 фиг.1. Антенны гидролокатора бокового обзора 11 фиг.1, жестко закрепление за пределами прочного корпуса 21 фиг.1 и закрытые акустически прозрачными обтекателями, имеют корректируемый угол наклона, что позволяет изменять ширину полосы обзора АНПА при проведении подводно-технических работ. В кормовом отсеке III фиг.1 подводного аппарата находятся автономный источник электроэнергии 13 фиг.1, безколлекторный электродвигатель постоянного тока 14 фиг.1 с микропроцессорным управлением, соединенный посредством вала 19 фиг.1 с гребным винтом 20 фиг.1, электроприводы горизонтальных и вертикальных рулей 15 фиг.1, а также вертикальные рули 16 фиг.1 и горизонтальные рули 17 фиг.1. Гребной винт 20 фиг.1 и кормовой отсек III фиг.1 АНПА скреплены между собой резьбовым соединением 18 фиг.1.
Фиг.2 Автономный источник электроэнергии (поперечный разрез и вид сбоку), где указаны:
I - поперечный разрез;
II - вид сбоку.
1 - литий-ионные батареи;
2 - соединяющие клеммы;
3 - коробка распределения электроэнергии;
4 - спицы крепления;
5 - эбонитовые пластины;
6 - корпус автономного источника электроэнергии;
7 - корпус АНПА.
Автономный источник электроэнергии 13 фиг.1 состоит из семи литий-ионных батарей 1 фиг.2, соединенных между собой клеммами 2 фиг.2, коробки распределения электроэнергии 3 фиг.2 к узлам и агрегатам аппарата, спиц крепления 4 фиг.2 автономного источника электроэнергии 13 фиг.1, скрепляющих две эбонитовые пластины 5 фиг.2, препятствующих замыканию и разряду литий-ионных батарей 1 фиг.2, находящихся в корпусе автономного источника электроэнергии 6 фиг.2, который в свою очередь находится
внутри корпуса АНПА 7 фиг.2. Семь литий-ионных батарей 1 фиг.2 обеспечивают при последовательном соединении номинальное напряжение 27 В, необходимое для работы электродвигателя 14 фиг.1. Спиралеобразное расположение литий-ионных батарей 1 фиг.2, указанное в поперечном разрезе I фиг.2, обусловлено рациональным использованием внутреннего объема цилиндрического модуля автономного источника электроэнергии 13 фиг.1.
Устройство работает следующим образом.
Включается аппарат и загружается через вход Ethernet-порта АНПА программа-задание в зависимости от выбранного вида подводно-технических работ. Аппарат доставляется к урезу воды места проведения работ любым транспортным средством и спускается на воду с лодки или непосредственно с берега.
Малогабаритный автономный необитаемый подводный аппарат осуществляет движение по заданной траектории за счет работы электродвигателя 13 фиг.1, передающего крутящий момент от вала 19 фиг.1 на гребной винт 20 фиг.1. Изменение режимов и скорости движения осуществляется по управляющему сигналу бортового компьютера, расположенного в блоке бортового компьютера и автопилота 12 фиг.1, поступающему в безколлекторный электродвигатель постоянного тока 14 фиг.1, способного самостоятельно регулировать частоту вращения путем изменения подводимого к нему напряжения с автономного источника электроэнергии 13 фиг.1.
Маневрирование АНПА по курсу, глубине и углу дифферента осуществляется путем изменения положения рулей 16 фиг.1 и 17 фиг.1 по командам бортового компьютера, размещенного в блоке бортового компьютера и автопилота 12 фиг.1, вырабатываемым на основании заданной программы или адаптивно к сложившимся условиям (появление препятствия, отклонение от траектории). Высокая точность движения по заданной траектории и ориентирования АНПА под водой достигается за счет комплексного использования данных, вырабатываемых гидроакустической навигационной системой 5 фиг.1 с длинной базой (географические координаты, курс, скорость,
углы крена и дифферента, угловые скорости), корректируемых блоком доплеровского лага, интегрированного магнитного компаса с датчиком крена и дифферента и датчиком глубины, объединенных в единый блок 7 фиг.1. Такой подход к навигационному обеспечению позволяет осуществлять сбор информации под водой без всплытий для обсерваций и, таким образом, повысить общую продолжительность и непрерывность широкого круга исследовательских, поисковых и подводно-технических работ на мелководье. Эхолокационная система 4 фиг.1 излучает в нескольких направлениях зондирующие импульсы и по времени прихода сигналов, отраженных от подводных объектов и границ разделения сред, определяет расстояния до препятствий. Полученные данные поступают в блок бортового компьютера и автопилота 12 фиг.1, которые при необходимости корректируют траекторию движения АНПА для уклонения от столкновения. Это позволяет малогабаритному АНПА безопасно плавать в мелководных районах внутренних водоемов и шельфовой зоны. Наличие гребного винта 20 фиг.1 с остро заточенными лопастями, разрезающими траву, позволяет подводному аппарату беспрепятственно осуществлять движение в густой растительности мелких водоемов. Гидролокатор бокового обзора 8 фиг.1 зондирует дно акватории с целью обнаружения подводных объектов на расстояниях, значительно превышающих дальность видимости под водой. Принятые гидролокатором бокового обзора 8 фиг.1 сигналы, отраженные и излучаемые обнаруженными объектами, обрабатываются и анализируются с целью выделения характерных признаков, которые затем транслируются в бортовой компьютер блока бортового компьютера и автопилота 12 фиг.1 для классификации, путем сравнения с эталонными параметрами. Использование в составе малогабаритного АНПА гидролокатора бокового обзора 8 фиг.1 с антеннами 11 фиг.1 с корректируемым углом наклона позволяет предварительно распознавать подводные объекты и многократно увеличивать поисковую производительность в зависимости от поставленных задач. Наличие у бортового компьютера, блока бортового компьютера и автопилота 12 фиг.1, накопителя большой емкости позволяет
сохранять на нем всю необходимую информацию при проведении подводно-технических работ, а затем передавать ее через Ethernet-порт аппарата потребителю.
Заявляемая полезная модель - малогабаритный автономный необитаемый подводный аппарат обладает следующими достоинствами:
- универсальность применения по физико-географическим и экологическим условиям;
- возможность модернизации и замены отдельных узлов и систем за счет относительной простоты сборки и технологичности модульной конструкции;
- возможность налаживания массового серийного производства.
Заявляемая полезная модель промышленно применима, так как для ее реализации используются широко распространенные компоненты и изделия промышленности.