Малогабаритный телеуправляемый подводный аппарат
SMALL-SIZED REMOTE-CONTROLLED UNDERWATER VEHICLE

Изобретение относится к подводному судостроению, а именно к малогабаритным телеуправляемым подводным аппаратам. (МТПА), в частности к управляемым по кабелю связи самоходным МТПА, предназначенным преимущественно для осмотра подводных объектов и сбора подводных образцов.
Известен телеуправляемый необитаемый подводный аппарат (ТНПА) «Dolphin-3К», разработанный в Японии центром JAMSTEC, с глубиной погружения 3300 м («Последние разработки японских фирм в области судостроения и создания аппаратуры для подводных работ и исследований, Технический бюллетень, Токио, Торгпредство СССР, 1988 г. [1]). ТНПА имеет рамную конструкцию, в носовой части размещены стереотелекамеры со светильниками, курсовой гидролокатор, два манипулятора снабженные захватами, причем манипуляторы имеют пять и семь степеней свободы соответственно, навесной контейнер для сбора образцов, установленный в носовой части подводного аппарата, и блок плавучести. Управление и передача информации осуществляются по кабель-тросу длиной 5000 м с волоконно-оптической линией связи. Электрогидравлическая движительная система включает шесть движителей, обеспечивая маршевую, вертикальную и лаговую скорости. Подводный аппарат связан по кабель-тросу с пультом управления, который соединен с цветным монитором.
Подводный аппарат предназначен для работы на больших глубинах. С его помощью можно доставлять на дно или поднимать грузы массой до 200 кг. Используется преимущественно для изучения минеральных ресурсов океана, в том числе кобальтовых образований и гидротермальных отложений. Данный подводный аппарат технически сложно и экономически нецелесообразно применять на малых глубинах.
Известен ТНПА «Обзор-600» (www.tetis-pro.ru [2]), содержащий раму, движители, гидролокатор кругового обзора, видеокамеры и манипулятор «схват». ТНПА соединен с судном-носителем кабелем, по которому передаются команды управления, информация от датчиков и видеосигнал. Этот ТНПА позволяет обнаружить подводные объекты, передать видеоизображения и выполнить подводно-технические работы в объеме возможностей манипулятора «схват». Подводный аппарат работает на небольших глубинах до 600 метров.
К недостаткам ТНПА [2] следует отнести то, что он имеет ограниченные возможности при выполнении подводно-технических работ по сбору подводных образцов и их подъему на поверхность. Манипулятор подводного аппарата может взять только один образец и может поднять его на судно-носитель только при подъеме самого ТНПА, т.к. в его конструкции отсутствует контейнер для сбора образцов. Оператору вновь опустить подводный аппарат в ту же точку за следующим образцом очень сложно.
Известен осмотровый телеуправляемый необитаемый подводный аппарат «Калан-500», (www.bnti.ru [3]), содержащий корпус, движители, гидролокатор секторного обзора, светильники, видеокамеры и малогабаритный манипулятор. ТНПА соединен с судном-носителем кабелем, по которому передаются команды управления, информация от датчиков и видеосигнал. Данный ТНПА позволяет проводить осмотровые и инспекционные работы на подводных объектах, передавать видеоизображения и осуществлять подъем объектов вместе с подъемом на поверхность самого аппарата. Подводный аппарат работает на глубинах до 500 метров.
Известен миниатюрный телеуправляемый подводный аппарат (ТПА) «SeaBotix», (www.seabotix.ru [4]), содержащий корпус из высокопрочного пластика, четыре движителя, гидроакустическую аппаратуру, светильник, видеокамеры и манипулятор. ТПА соединен с судном-носителем кабелем, по которому передаются команды управления, информация от датчиков и видеосигнал. Данный ТПА позволяет проводить поиск подводных объектов и выполнение осмотровых и обследовательских работ под водой в прибрежных морских или внутренних водах, передавать видеоизображения и осуществлять подъем одного предмета одновременно с подъемом самого подводного аппарата. Подводный аппарат работает на небольших глубинах до 300 метров.
Известные подводные аппараты «Калан-500» и «SeaBotix» имеют тот же недостаток, что и известный «Обзор-600», а именно ограниченные технологические возможности при выполнении подводно-технических работ по сбору подводных образцов и их подъему на поверхность, т.к. в конструкциях этих известных подводных аппаратов нет контейнеров для сбора образцов и отсутствует поворот манипулятора в вертикальной плоскости.
Известен также малогабаритный телеуправляемый подводный аппарат фирмы Seaeye «ФАЛКОН» (www.seaeye.com, www.tnpa.ru/falkon.htm [5]). Подводный аппарат содержит раму модульной конструкции, выполненную из полипропилена, движители горизонтального и вертикального хода. Электронные компоненты подводного аппарата размещены в прочных герметичных контейнерах. Кроме того, «ФАЛКОН» содержит светильники, обзорную и стационарную черно-белую видеокамеры, датчики глубины и температуры, компенсаторы давления, блок плавучести, установленный в верхней части подводного аппарата, манипуляционный модуль, включающий снабженный схватом манипулятор и герметичный привод. Манипулятор установлен на выходном валу привода. Подводный аппарат снабжен надводным модулем управления, который состоит из пульта управления, источника электропитания, блока отображения видеоинформации. Подводный аппарат соединен с надводным модулем посредством кабель-троса (кабель связи).
Однако выполнение одной из функциональных задач данным подводным аппаратом затруднено, а именно проведение подводно-технических работ по сбору подводных образцов и подъему их на поверхность. Отсутствие в нем контейнера для сбора образцов не позволяет выполнять многократный сбор подводных образцов без подъема подводного аппарата на поверхность. Кроме того, отсутствие видеокамеры у манипулятора и недостаточный угол обзора обзорной видеокамеры не позволяют производить детальный обзор подводного пространства в широком диапазоне угла зрения с одновременным обзором процесса сбора образцов, находящихся на дне.
Аналогичные недостатки имеют, также известные подводные аппараты (заявка US №2007283871 А1, 13.12.2007 [6], патент US №4721055 А, 26.01.1988 [7], заявка KR №20030088796 А, 20.11.2003 [8], патент RU №2104210 С1, 10.02.1998 [9]).
Задачей, решаемой также известного изобретения, является расширение функциональных возможностей МТПА за счет конструкторских решений, обеспечивающих ему дополнительные технологические возможности при проведении подводно-технических работ, а именно эффективный сбор подводных образцов и подъем их на поверхность, без ухудшения при этом остойчивости и маневренных качеств МТПА (патент RU №2387570С1, 27.04.2010 [10]).
При этом поставленная задача достигается тем, что в малогабаритном телеуправляемом подводном аппарате, содержащем раму модульной конструкции, движители горизонтального и вертикального хода, прочные герметичные контейнеры для размещения электронной части подводного аппарата, светильники, обзорную и стационарную видеокамеры, датчики глубины и температуры, компенсаторы давления, блок плавучести, установленный в верхней части подводного аппарата, манипуляционный модуль, включающий снабженный охватом манипулятор и герметичный привод, причем манипулятор установлен на выходном валу этого привода, надводный модуль управления, включающий пульт управления, источник электропитания, блок отображения видеоинформации, и кабель связи, соединяющий подводный аппарат с надводным модулем, на другом конце выходного вала привода манипулятора дополнительно установлена видеокамера так, что ее ось визирования постоянно направлена в центр схвата манипулятора, подводный аппарат снабжен съемным перфорированным контейнером для сбора образцов, установленным в верхней части подводного аппарата соосно с его вертикальной осью, а обзорная видеокамера установлена посредством кронштейна над блоком плавучести в диаметральной плоскости подводного аппарата в его кормовой части.
В малогабаритном телеуправляемом подводном аппарате рама модульной конструкции выполнена герметичной из полипропиленовых труб.
В малогабаритном телеуправляемом подводном аппарате съемный перфорированный контейнер для сбора образцов выполнен в виде перевернутого усеченного конуса.
В малогабаритном телеуправляемом подводном аппарате кабель связи закреплен на раме в кормовой части подводного аппарата в его диаметральной плоскости в точке ее пересечения с плоскостью расположения горизонтальной группы движителей.
Поставленная задача решается тем, что размещение перфорированного контейнера для сбора образцов внутри рамы соосно с вертикальной осью подводного аппарата позволяет сохранить его остойчивость и маневренность при выполнении таких специфических подводно-технических работ, как сбор подводных образцов в контейнер и их транспортировка в контейнере на поверхность.
Манипуляционный модуль и съемный перфорированный контейнер для сбора образцов конструктивно установлены в подводном аппарате таким образом, что манипулятору достаточно одной вращательной степени свободы для сбора образцов и помещения их в перфорированный контейнер.
Установка дополнительной обзорной видеокамеры на другом конце выходного вала привода манипулятора и размещение обзорной видеокамеры посредством кронштейна над блоком плавучести обеспечивает широкий диапазон угла обзора и позволяет оператору эффективно работать с манипулятором. Обзорная видеокамера, установленная сверху над блоком плавучести подводного аппарата, позволяет оператору контролировать операцию по сбору образцов в контейнер или выполнять надводный обзор (при нахождении МТПА на поверхности воды), а дополнительная обзорная видеокамера манипулятора позволяет контролировать работу охвата манипулятора в процессе сбора образцов, так как она расположена в непосредственной близости от схвата и ее ось визирования постоянно направлена в центр схвата. Широкоугольная высокочувствительная стационарная видеокамера обеспечивает необходимые дальность и угол обзора в условиях слабой освещенности при поиске донных объектов и выполнении подводно-технических работ. Такая компоновка видеосистемы обеспечивает многофункциональную работу подводного аппарата. Данный аналог выбран в качестве прототипа.
Приведенная совокупность как известных, так и отличительных существенных признаков прототипа обеспечивает достижение технического результата - расширение функциональных возможностей МТПА без ухудшения его остойчивости и маневренных качеств, т.е. обеспечиваются эффективная работа манипулятором по сбору подводных образцов и транспортировка образцов к судну - носителю, с сохранением остойчивости и маневренности подводного аппарата и детальный обзор подводного пространства в широком диапазоне угла зрения с одновременным обзором образцов, расположенных на дне. Однако, известные конструктивные особенности прототипа и состав основных и вспомогательных технических средств не позволяет в полной мере обеспечить безопасность эксплуатации подводного аппарата.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение безопасности эксплуатации подводного аппарата и оперативности при выполнении обширного спектра подводных работ.
Поставленная задача решается за счет того, что малогабаритный телеуправляемый подводный аппарат (МТПА), содержащий раму модульной конструкции, движители горизонтального и вертикального хода, прочные герметичные контейнеры для размещения электронной части подводного аппарата, светильники, обзорную и стационарную видеокамеры, датчики глубины и температуры, компенсаторы давления, блок плавучести, установленный в верхней части подводного аппарата, манипуляционный модуль, включающий снабженный охватом манипулятор и герметичный привод, причем манипулятор установлен на выходном валу этого привода, надводный модуль управления, включающий пульт управления, источник электропитания, блок отображения видеоинформации, и кабель связи, соединяющий подводный аппарат с надводным модулем, на другом конце выходного вала привода манипулятора дополнительно установлена видеокамера так, что ее ось визирования постоянно направлена в центр схвата манипулятора, подводный аппарат снабжен съемным перфорированным контейнером для сбора образцов, установленным в верхней части подводного аппарата соосно с его вертикальной осью, а обзорная видеокамера установлена посредством кронштейна над блоком плавучести в диаметральной плоскости подводного аппарата в его кормовой части, в отличие от прототипа МТПА дополнительно снабжен лазерными указателями, системой изменения плавучести, гидроакустическим маяком - ответчиком, мини гидролокатором кругового обзора, инерционным измерительным устройством, в котором несущая рама выполнена с блоками плавучести, обзорная видеокамера установлена на устройстве, обеспечивающем наклон и поворот камеры в диапазоне ±30 градусов и выполнена с десяти кратным приближением изображения, светильники выполнены на светодиодах с мощностью светового потока не менее 2000 люмен с возможностью изменения цветовой температуры и плавной регулировки яркости свечения для уменьшения эффекта засветки от взвешенных в воде частиц.
При этом блоки плавучести выполнены из композита на основе полых стеклянных микросфер (синтактика), инерционное измерительное устройство выполнено с мощным микроконтроллером, имеющим встроенную программу предварительной обработки данных, манипулятор выполнен в виде одностепенного манипулятора с тросорезом, надводный модуль выполнен в виде лебедки с системой автоматической укладки кабель-связки и включает систему аварийной отдачи кабель-связки и систему захвата и удержания МТПА, система автоматической укладки кабель-связки представляет собой барабан для хранения кабеля, закрепленный в задней части силовой рамы, а вращение барабана осуществляется с помощью бесколлекторного редуцированного электродвигателя в маслозаполненном компенсированном корпусе, передача управляющего сигнала и питающего напряжения на МТПА осуществляется с помощью установленного внутри барабана оптоэлектрического вращающегося коммутационного устройства, система автоматической укладки кабель-связки состоит из винтового приводного вала, укладчика и натяжителя кабеля, укладчик представляет собой гайку винтовой передачи, перемещение которой согласовано с вращением барабана, натяжитель представляет собой систему подпружиненных роликов, позволяющих обеспечить необходимое натяжение кабеля, лебедка с системой автоматической укладки кабель-связки имеет как режим ручного управления, так и режим автоматического управления, система аварийной отдачи кабель-связки выполнена гильотинного типа, лебедка выполнена из конструкционных пластиков и сплавов алюминия, система захвата и удержания МТПА представляет собой створку силовой рамы, которая приводится в действие редуцированным сервоприводом.
В качестве обеспечивающего судна могут быть использованы как надводные суда, так и автономные подводные аппараты. В состав МТПА входят: несущая рама с блоками плавучести; движительно-рулевой комплекс; прочные корпуса для размещения электронных компонентов; блок управления; система энергообеспечения; видеосистема; система освещения; лазерные указатели; комплект датчиков (курсоуказатель, датчик глубины, датчики крена и дифферента); система изменения плавучести; одностепенной манипулятор типа схват; гидроакустический маяк-ответчик; проблесковый маяк; мини гидролокатор кругового обзора. В состав комплекса бортового (судового) оборудования входят: силовая рама; лебедка с системой автоматической укладки кабель-связки; кабель связка; система захвата и удержания МТПА, пульт управления комплексом; программное обеспечение на CD-диске. ТНПА на носителе может быть размещен в гараже.
Комплекс бортового телеуправляемого необитаемого подводного аппарата предназначенного, например, для размещения на обитаемом подводном аппарате (ОПА) имеет следующие основные характеристики: работоспособность в пресной и морской воде соленостью до 35%; диапазон глубин применения от 0 до 2500 м; работоспособность обеспечивается при температуре воздуха от минус 30 до плюс 50°С и температуре воды от минус 2 до плюс 35°С; масса комплекса бортового МТПА в сборе не превышает 75 кг. Электропитание комплекса бортового МТПА осуществляется от сети постоянного тока напряжением от 190 до 250 В. Потребляемая пиковая мощность комплекса бортового МТПА не превышает 2,0 кВт. Электропитание бортового МТПА осуществляется по кабель-связке от системы энергообеспечения ОПА и за счет встроенных в МТПА химических источников тока - аккумуляторных батарей.
Несущая рама МТПА изготавливается из полипропилена. Использование полипропилена в качестве материала для изготовления рамы позволяет достичь оптимального соотношения между ее прочностью и массой. Помимо этого, полипропилен обеспечивает ударопрочность конструкции в силу высоких ударопоглощающих свойств. Форма рамы обеспечивает размещение всех элементов и систем МТПА при его минимальных габаритах. Модульная конструкция рамы обеспечивает возможность установки быстросъемных модулей с дополнительным оборудованием. Блоки плавучести изготавливаются из композита на основе полых стеклянных микросфер (синтактика), что позволяет достичь обеспечить сохранение необходимой плавучести аппарата на всем диапазоне глубин применения аппарата. Для предохранения блоков плавучести от механического износа предусмотрена накладка из пластика. Компоновка движительно-рулевого комплекса МТПА выбрана из условий обеспечения больших значений упора при использовании одинакового количества выбранных движителей. Наибольший упор по маршу достигается при использовании векторной компоновки с углом движителей в 30° относительно продольной оси МТПА. Для обеспечения возможности движения МТПА с изменением углов крена и дифферента использовано три вертикальных движителя. При этом МТПА может развивать скорость горизонтального движения в 1,5 уз. и скорость движения лагом в 1,0 уз. Посредством гидродинамического моделирования были рассчитаны оценочные значения необходимого суммарного упора движителей для движения по маршу и лагу, составляющие!3 кгс и 7,6 кгс соответственно. Согласно полученным результатам, необходимый упор одного двигателя должен составлять 3,8 кгс. В качестве движителей использованы винтомоторные агрегаты ХТ-150, которые могут функционировать на рабочей глубине 2500 м и имеют мощность 200 Вт и представляют собой бесколлекторный электродвигатель, помещенный в компенсированный герметичный корпус вместе с контроллером. Передача вращения с вала двигателя на гребной винт осуществляется с помощью магнитной муфты. В блоке управления и электронной аппаратуре МТПА реализованы алгоритмы удержания МТПА по глубине -«автоглубина» и курсу «автокурс».
Видеосистема состоит из двух цветных видеокамер, переднего и заднего вида, системы управления видеокамерами и хранения фото-видео данных, интегрированной в программное обеспечение пульта управления комплексом или внутренней памяти МТПА. Передняя видеокамера устанавливается на устройстве, обеспечивающим наклон и поворот камеры в диапазоне углов ±30°. Характеристики применяемых видеокамер не хуже: разрешение - 700 твл; чувствительность - 0,1 люкс; угол обзора в воде - 66°. Видеосистема обеспечивает: переключение видеокамер в черно-белый режим; 10-ти кратное приближение изображения; видеозахват и сохранение изображения от видеокамер по выбору в подсистему хранения фото-видео данных на пульте управления комплексом или внутреннюю память МТПА по команде судового оператора; автоматический баланс белого света. Видеосистема МТПА автоматически сохраняет во внутреннюю энергонезависимую память МТПА видеоданные в течение 1 часа с последующей их перезаписью.
В системе освещения МТПА использованы светодиодные светильники с разнесенной схемой установки в количестве не менее двух штук с мощностью светового потока не менее 2000 люмен с возможностью изменения цветовой температуры и плавной регулировки яркости свечения судовым оператором МТПА для уменьшения эффекта засветки от взвешенных в воде частиц. Размещение светильников и видеокамер выбраны таким образом, чтобы минимизировать зоны засветки.
Лазерные указатели, устанавливаемые на МТПА, обеспечивают проведение визуальной оценки судовым оператором линейных размеров обследуемых подводных объектов.
Для получения данных по курсу, крену и дифференту, а также обеспечения функции «автокурс» использован датчик (инерционное измерительное устройство) с мощным микроконтроллером, имеющим встроенную программу предварительной обработки данных, что позволит на выходе иметь готовые к использованию результаты без необходимости проведения калмановской фильтрации для всех осей: крен, тангаж и курс (рысканье). Для обеспечения функции «автоглубина» кроме датчика глубины использован дифференциальный датчик давления.
Система изменения плавучести обеспечивает возможность установки нулевой плавучести МТПА (в комплекте с дополнительным оборудованием) как в пресной, так и в морской воде. Система представляет собой комплект балластных грузов, которые предлагается размещены на раме МТПА для установки его нулевой плавучести.
Для расширения круга выполнимых задач и повышения качества и объема работ, проводимых МТПА, используется одностепенной манипулятор с тросорезом. С помощью подводного одностепенного манипулятора возможно выполнение захвата объектов, расположенных на дне акваторий, и удержании этих объектов с целью доставки их на обеспечивающее судно или перемещения в воде. В качестве одностепенного манипулятора использован манипулятор типа ХМ-1, конструктивными особенностями которого являются наличие тросореза, компенсированный маслозаполненный корпус, бесколлекторный электродвигатель.
Подводный одностепенной манипулятор представляет собой металлический корпус с подвижным трехпалым захватом. Захват приводится в движение штоком, который через уплотнение устанавливается в корпус манипулятора. Шток в свою очередь связан с электродвигателем через передачу винт-гайка. Особенностью конструкции манипулятора является наличие возможности установки ножа на один из пальцев захвата. Данная особенность позволяет перерезать веревки и неметаллические тросы не большего диаметра.
Позиционирование МТПА относительно судна обеспечения осуществляться с помощью судовой гидроакустической системы и гидроакустического маяка-ответчика, устанавливаемого на МТПА.
Проблесковый маяк выполнен в виде интегрированного в конструкцию МТПА светового импульсного источника.
Мини гидролокатор кругового обзора представляет собой гидролокатор с механической или электронной разверткой.
Силовая рама МТПА изготавливается из полипропилена, что позволяет достичь оптимального соотношения между ее прочностью, плавучестью и массой. Помимо этого, полипропилен обеспечивает ударопрочность конструкции в силу высоких ударопоглощающих свойств. На силовой раме размещается гараж, в котором находится МТПА перед спуском в воду. Форма рамы обеспечивает размещение всех систем гаража и удобный доступ к ним.
Лебедка с системой автоматической укладки кабель-связки представляет собой барабан для хранения кабеля, закрепленный в задней части силовой рамы. Вращение барабана осуществляется с помощью бесколлекторного редуцированного электродвигателя в маслозаполненном компенсированном корпусе. Передача управляющего сигнала и питающего напряжения на МТПА осуществляется с помощью установленного внутри барабана оптоэлектрического вращающегося коммутационного устройства.
Система автоматической укладки кабель-связки предназначена для предотвращения провиса или обрыва кабель-связки и состоит из винтового приводного вала, укладчика и натяжителя кабеля. Укладчик представляет собой гайку винтовой передачи, перемещение которой согласовано с вращением барабана. Натяжитель представляет собой систему подпружиненных роликов, позволяющих обеспечить необходимое натяжение кабеля.
Лебедка с системой автоматической укладки кабель-связки имеет как режим ручного управления, так и режим автоматического управления. Возможность аварийной отстыковки кабель-связки от МТПА и лебедки осуществляется с помощью системы аварийной отдачи кабель-связки гильотинного типа. Для минимизации массы лебедки в качестве материалов применяются конструкционные пластики и сплавы алюминия.
Длина кабеля-связки для обеспечения применения МТПА на дистанции не менее 50 м от обеспечивающего судна составляет 80 м. Для минимизации влияния кабеля-связки на динамику МТПА, кабель-связка обладает нейтральной плавучестью. Разрывное усилие кабеля-связки составляет 100 кг, диаметр составляет 12 мм. Плавучесть кабеля в пресной воде составляет 0±2 кг/км.
Система захвата и удержания МТПА представляет собой створку силовой рамы, которая приводится в действие редуцированным сервоприводом. Створка обеспечивает неподвижную фиксацию МТПА, при его нахождении в гараже при его наличии на борту ОПА, и предназначемым для размещения МТПА и приспособлений для его спуска и приема на борт обеспечивающего судна или подводного аппарата.
В качестве пульта управления комплексом МТПА использован пульт типа ХНС-2, который позволяет осуществлять управление МТПА и гаражом. На мониторе выводится изображение с видеокамер, установленных на МТПА, а также данные с датчиков МТПА.
Состав пульта управления комплексом включает джойстики, регуляторы камеры и света, группу кнопочных переключателей, аварийный выключатель, сенсорный дисплей. Два трехстепенных джойстика позволяют управлять горизонтальным и вертикальным движением аппарата, а также осуществлять сжатие и разжатие одностепенного манипулятора. Регулятор управления угла наклона камеры позволяет осуществлять управление положением камеры. Регулятор интенсивности светильников позволяет осуществлять управление интенсивностью светильников МТПА и осуществлять их полное отключение. Пять кнопочных переключателей позволяют осуществлять открытие и закрытие гаража, ручное управление лебедкой и включение/выключение лазерных указателей. Аварийный выключатель предназначен для включения аварийного режима. Сенсорный дисплей диагональю 10,1'' предназначен для вывода данных с датчиков МТПА и управления дополнительными функциями МТПА. Программное обеспечение пульта управления обеспечивает режим сохранения данных от видеосистемы МТПА с указанием в кадре аннотации - текста служебной информации. В электронной аппаратуре МТПА реализован аварийный режим работы. Функциями аварийного режима МТПА являются: перевод электросистемы МТПА на аварийный источник питания; сброс аварийного балласта; отдача МТПА от кабель-связки; включение проблескового маяка при всплытии МТПА на поверхность моря; перевод гидроакустического маяка-ответчика в режим «пингера» (периодического излучения гидроакустических сигналов). Время функционирования МТПА в аварийном режиме не менее 24 часов. Включение режима «энергосбережения» осуществляется по командам, поступающим от пульта управления комплексом при потере связи с судном обеспечения, при этом электронная аппаратура переключается на встроенный аварийный источник питания МТПА.
Малогабаритный телеуправляемый подводный аппарат, содержит раму модульной конструкции, движители горизонтального и вертикального хода, прочные герметичные контейнеры для размещения электронной части подводного аппарата, светильники, обзорную и стационарную видеокамеры, датчики глубины и температуры, компенсаторы давления, блок плавучести, установленный в верхней части подводного аппарата, манипуляционный модуль, включающий снабженный охватом манипулятор и герметичный привод, причем манипулятор установлен на выходном валу этого привода, надводный модуль управления, включающий пульт управления, источник электропитания, блок отображения видеоинформации, и кабель связи, соединяющий подводный аппарат с надводным модулем, на другом конце выходного вала привода манипулятора дополнительно установлена видеокамера так, что ее ось визирования постоянно направлена в центр схвата манипулятора, подводный аппарат снабжен съемным перфорированным контейнером для сбора образцов, установленным в верхней части подводного аппарата соосно с его вертикальной осью, а обзорная видеокамера установлена посредством кронштейна над блоком плавучести в диаметральной плоскости подводного аппарата в его кормовой части. Кроме того малогабаритный телеуправляемый подводный аппарат дополнительно снабжен лазерными указателями, системой изменения плавучести, гидроакустическим маяком - ответчиком, мини гидролокатором кругового обзора, инерционное измерительное устройство, несущая рама выполнена с блоками плавучести, обзорная видеокамера установлена на устройстве, обеспечивающем наклон и поворот камеры в диапазоне ±30 градусов и выполнена с десяти кратным приближением изображения, светильники выполнены на светодиодах с мощностью светового потока не менее 2000 люмен с возможностью изменения цветовой температуры и плавной регулировки яркости свечения для уменьшения эффекта засветки от взвешенных в воде частиц. При этом блоки плавучести выполнены из композита на основе полых стеклянных микросфер (синтактика), инерционное измерительное устройство выполнено с мощным микроконтроллером, имеющим встроенную программу предварительной обработки данных, манипулятор выполнен в виде одностепенного манипулятора с тросорезом, надводный модуль выполнен в виде лебедки с системой автоматической укладки кабель-связки и включает систему аварийной отдачи кабель-связки и систему захвата и удержания МТПА, система автоматической укладки кабель-связки представляет собой барабан для хранения кабеля, закрепленный в задней части силовой рамы, вращение барабана осуществляется с помощью бесколлекторного редуцированного электродвигателя в маслозаполненном компенсированном корпусе., передача управляющего сигнала и питающего напряжения на МТПА осуществляется с помощью установленного внутри барабана оптоэлектрического вращающегося коммутационного устройства, система автоматической укладки кабель-связки состоит из винтового приводного вала, укладчика и натяжителя кабеля, укладчик представляет собой гайку винтовой передачи, перемещение которой согласовано с вращением барабана, натяжитель представляет собой систему подпружиненных роликов, позволяющих обеспечить необходимое натяжение, лебедка с системой автоматической укладки кабель-связки имеет как режим ручного управления, так и режим автоматического управления., система аварийной отдачи кабель-связки выполнена гильотинного типа, лебедка выполнена из конструкционных пластиков и сплавов алюминия, система захвата и удержания МТПА представляет собой створку силовой рамы, которая приводится в действие редуцированным сервоприводом.
Как и в прототипе на раме модульной конструкции установлен привод манипулятора. На выходном валу привода установлены видеокамера и манипулятор. Ось визирования видеокамеры манипулятора постоянно направлена в центр схвата. Благодаря расположению видеокамеры и манипулятора на общем выходном валу привода, взаимное положение видеокамеры манипулятора и схвата остается неизменным при вращении выходного вала приводом. Съемный перфорированный контейнер установлен в верхней части МТПА соосно с его вертикальной осью и закреплен в блоке плавучести. При таком конструктивном решении вектор силы тяжести Gp помещаемых в перфорированный контейнер образцов всегда будет расположен вдоль линии действия вектора силы тяжести МТПА, что исключает возникновение дополнительных возмущающих моментов, действующих на МТПА по крену и/или дифференту. Съемный перфорированный контейнер размещен в подводном аппарате таким образом, что остойчивость подводного аппарата при сборе образцов и опускании их в контейнер только увеличивается за счет того, что точка приложения вектора сил тяжести собранных образцов всегда расположена ниже центра объема МТПА. Обзорная видеокамера установлена на кронштейне таким образом, что она позволяет оператору видеть схват в верхнем (транспортном) положении и управлять сбросом образцов в контейнер, обозревать надводное пространство в случае расположения подводного аппарата в незаглубленном положении, а также обозревать предметы, расположенные выше и впереди рамы, в том случае, когда подводный аппарат находится под водой. Путем регулирования положения обзорной видеокамеры на кронштейне можно варьировать дальность верхнего обзора. Расположение схвата в конечном положении ориентировано таким образом, что сбрасываемые в перфорированный контейнер образцы падают в центр его дна. Конструктивное решение подводного аппарата позволяет совершать сбор и складывание подводных образцов в перфорированный контейнер, используя одностепенной привод поворота манипулятора.
Два светодиодных светильника закреплены в передней части рамы и обеспечивают качественную работу видеокамеры манипулятора и стационарной видеокамеры.
Видеосистема МТПА состоит из видеокамеры манипулятора, обзорной видеокамеры и стационарной широкоугольной черно-белой видеокаме. В процессе работы МТПА видеокамеры работают, как правило, в следующих сочетаниях. Стационарная черно-белая видеокамера является основной при поиске цели и движении под водой. При работе схвата с образцом основной рабочей видеокамерой является видеокамера манипулятора, так как позволяет всегда отслеживать в поле своего зрения положение схвата и управлять им. При опускании подводных образцов с помощью манипулятора в перфорированный контейнер основной рабочей видеокамерой становится обзорная видеокамера, установленная на кронштейне, так как остальные видеокамеры теряют схват манипулятора из виду. А также обзорная видеокамера обеспечивает съемку надводной обстановки при транспортировке собранных подводных образцов по поверхности воды при подходе подводного аппарата к судну.
Движительно-рулевой комплекс состоит из двух групп движителей: горизонтальной и вертикальной группы. Горизонтальная группа движителей состоит из четырех движителей. Оси вращения движителей расположены в одной плоскости и находятся под регулируемым углом к продольной оси подводного аппарата. Благодаря такому расположению движителей обеспечивается управление подводным аппаратом по курсу, а также осуществляются маршевое и лаговое перемещение подводного аппарата. Регулировка расположения движителей позволяет изменять суммарный вектор тяги по маршевому и лаговому направлениям. Расположение движителей горизонтальной группы является симметричным относительно продольной плоскости, проходящей через центр тяжести ТМПА. Оси вращения движителей вертикальной группы параллельны вертикальной оси МТПА и расположены симметрично относительно продольной и поперечной плоскостей МТПА. Установочные фланцы вмонтированы в блок плавучести таким образом, что движители жестко прикреплены непосредственно к ним и имеют геометрическое расположение, позволяющее управлять вертикальным движением МТПА движением по крену и дифференту.
Блок управления движительно-рулевым комплексом размещен в одном из герметичных контейнеров, расположенном в нижней части рамы подводного аппарата с правой стороны. Во втором герметичном контейнере, расположенном в нижней левой части МТПА, находятся основные электронные платы управления МТПА, навигационные датчики магнитного курса, крена, дифферента и угловой скорости рыскания. Датчик глубины и датчик температуры представлены отдельными герметичными устройствами.
Система компенсации забортного давления состоит из двух компенсаторов, расположенных в нижней кормовой части МТПА.
Токоподводящий кабель связи закреплен на раме в кормовой части МТПА в его диаметральной плоскости в точке ее пересечения с плоскостью расположения горизонтальной группы движителей.
Комплектацию подводного аппарата можно изменять, дополнительно устанавливая различную аппаратуру.
Работа МТПА осуществляется следующим образом. Спущенный на воду МТПА за счет положительной плавучести находится на поверхности воды, и работающая обзорная видеокамера производит обзор надводной обстановки. Далее включают вертикальные движители и МТПА производит заглубление на заданную оператором глубину, при этом данные о глубине погружения получают с помощью встроенного в конструкцию МТПА датчика глубины. При выходе на заданную глубину или одновременно с погружением производится движение МТПА в горизонтальной плоскости с помощью горизонтальной группы движителей. Здесь желаемое движение МТПА задает оператор. Команды управления движителями рассчитываются в блоке специализированного вычислителя, расположенного в блоке электроники. Далее эти команды поступают на блоки управления приводов соответствующих движителей. В соответствии с выработанными вычислителем законами управления движительно-рулевой комплекс их отрабатывает, формируя управляющие воздействия и обеспечивая движение аппарата по заданной траектории. Благодаря выбранной компоновки горизонтальной группы движителей возможны следующие движения МТПА в горизонтальной плоскости: маршевое движение, лаговое движение, поворот по курсу. Вертикальная группа движителей позволяет производить погружение-всплытие МТПА, а также стабилизировать его по углам крена и дифферента. Стабилизация глубины погружения осуществляется группой вертикальных движителей 3 по показаниям датчика глубины. В погруженном состоянии МТПА производит видеосъемку с помощью стационарной черно-белой широкоугольной высокочувствительной видеокамеры или с помощью обзорной видеокамеры, установленной на кронштейне. Освещение включают по необходимости. В зависимости от условий включают вместе обзорную видеокамеру и стационарную черно-белую видеокамер. При обнаружении объекта поиска МТПА зависает над ним или производит обследование объекта с разных сторон, производя видеосъемку. При необходимости подвижный манипулятор, снабженный схватом, по команде оператора производит захват обнаруженного подводного объекта. Расположенная на одной оси с манипулятором видеокамера производит видеосъемку процессов, происходящих в области работы схвата. Далее, манипулятор со схваченным подводным объектом производит вращательное движение в вертикальной плоскости аппарата вокруг оси вала привода манипулятора до того положения, пока схват с подводным объектом не окажется над перфорированным контейнером подводного аппарата. Расположение схвата манипулятора относительно перфорированного контейнера контролируется с помощью обзорной видеокамеры. Далее производится разжатие схвата манипулятора и подводный объект падает в съемный перфорированный контейнер. Всплытие подводного аппарата после окончания миссии осуществляется с помощью вертикальных движителей, манипулятор при этом приводится в транспортное положение, при котором схват манипулятора располагают над перфорированным контейнером МТПА.
Посредством лазерных указателей, установленных в носовой кормовой частях корпуса МТПА определяются линейные размеры обнаруженных объектов. Посредством системы изменения плавучести осуществляется обзор подводных объектов с нескольких горизонтах по глубине. Посредством маяка - ответчика осуществляется позиционирование МТПА. Посредством мини гидролокатором кругового обзора осуществляется обзор окружающей подводной обстановки, обнаружение и классификация обнаруженных подводных объектов. Инерционное измерительное выполняет функции определения скоростных и динамических параметров МТПА.
Выполнение несущей рамы с блоками плавучести обеспечивает изменение горизонта плавучести МТПА.
Обзорная видеокамера установлена на устройстве, обеспечивающим наклон и поворот камеры в диапазоне ±30 градусов и выполнена с десяти кратным приближением изображения.
Светильники выполнены на светодиодах с мощностью светового потока не менее 2000 люмен с возможностью изменения цветовой температуры и плавной регулировки яркости свечения для уменьшения эффекта засветки от взвешенных в воде частиц.
Источники информации.
1. Последние разработки японских фирм в области судостроения и создания аппаратуры для подводных работ и исследований, Технический бюллетень, Токио, Торгпредство СССР, 1988 г.
2. ТНПА «Обзор-600» (www.tetis-pro.ru).
3. Осмотровый телеуправляемый необитаемый подводный аппарат «Калан-500», (www.bnti.ru).
4. Миниатюрный телеуправляемый подводный аппарат (ТПА) «SeaBotix», (www.seabotix.ru).
5. Малогабаритный телеуправляемый подводный аппарат фирмы Seaeye «ФАЛКОН» (www.seaeye.com, www.tnpa.ru/falkon.htm).
6. Заявка US №2007283871 А1, 13.12.2007.
7. Патент US №4721055 А, 26.01.1988.
8. Заявка KR №20030088796 А, 20.11.2003.
9. Патент RU №2104210 С1, 10.02.1998.
10. Патент RU №2387570 С1, 27.04.2010.