ПОГРУЖАЕМАЯ ПЛАТФОРМА-ТРАНСФОРМЕР И РОБОТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОДВОДНЫХ РАБОТ

Техническое решение относится к области удаленного обследования морского дна и подводных сооружений, находящихся на дне в акваториях объектов природного и техногенного происхождения, а также проведения профилактических, ремонтных, спускоподъемных, аварийно-спасательных и им подобных работ с осуществлением физического воздействия на объект.
Кроме того, изобретение может быть применено в области обследования, обслуживания, ремонта и монтажа подводной нефтегазопромысловой и гидротехнической инфраструктуры и оборудования.
Разработанные устройства относятся к области телеуправляемых/автономных, с возможностью преобразования в обитаемые подводные роботизированные комплексы, обеспечивающих проведение обследовательских работ, в том числе с применением методов неразрушающего контроля, фото- видеосъемки и выполнение подводных - и технических работ, а именно:
1. Выполнение осмотра объектов и стационарных конструкций для определения и уточнения степени и характера требуемого ремонта и обслуживания, а также участка и места проведения технических работ; проведение точных измерений и обследование объектов, в том числе методами неразрушающего контроля и трехмерного восстановления поверхности;
2. Проведение подводных технических и транспортных работ, в том числе доставки технических средств, оборудования, машин, механизмов, конструкций и материалов на дно к месту проведения работ; самоподготовка конструкции для достижения наиболее удобного расположения технических средств в месте проведения работ и монтажа/демонтажа требуемого навесного оборудования; установка платформы на дне или закрепление ее на подводных объектах проведения технических работ; монтаж, установка и крепление доставленных грузов (средств) в месте проведения подводных технических работ; очистка требуемой поверхности подводных объектов подлежащих ремонту (обслуживанию); проведение сложных механических работ по ремонту оборудования (средств) инфраструктурных элементов, замене оборудования; выполнение операций по строповке (обвязке) предметов и конструкций для их подъема на поверхность; перемещение предметов (объектов) на дне; механическая и пескоструйная резка, зачистка, шлифовка, подводная сварка и прочие виды обрабатывающих работ; проведение монтажных и сварочных работ, выполнение тяжелых энергоемких видов работ относительно неподвижной базы закрепления.
Известен (US, патент 3559607) аппарат обнаружения и автоматического подъема затонувшего судна, содержащий подводный аппарат, оснащенный электронным блоком и исполнительным механизмом - лебедкой с тросом, на конце которого закреплен буй.
Недостатком известного аппарата являются ограниченные функциональные возможности: аппарат не может совершать горизонтального перемещения под водой, а его вертикальное перемещение не является достаточным. Кроме того, известный аппарат не может быть трансформирован в процессе выполнения работы при погружении с изменением функций исполнительного механизма.
Известен ("Подводная техника морских нефтепромыслов". - Л., Судостроение, 1980, с.116-118) телеуправляемый осмотровый подводный аппарат, содержащий корпус, в полости которого размещены двигатели, телекамера, осветители и электронный блок приема сигналов управления и передачи телевизионной и измерительной информации. Питание и сигналы управления подаются по кабелю, при этом его катушка размещена на подвижной раме-носителе, погружаемой на грунт дна.
Недостатком известного аппарата являются ограниченные функциональные возможности - аппарат предназначен только для осмотра подводных объектов. Кроме того, известный аппарат не содержит исполнительных механизмов и не может быть трансформирован в процессе работы.
Известен (RU, патент 2387570) малогабаритный телеуправляемый подводный аппарат, 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.
Недостатком известного аппарата можно признать невозможность изменения формы его конструкции в целях достижения управляемости в маршевом режиме, в том числе, и в процессе осуществления работы.
Заявителю неизвестна конструкция роботизированного подводного аппарата, изготовленного с возможностью трансформирования в процессе погружения и работы в акватории или на морском дне, а также роботизированного комплекса для проведения подводных работ с использованием выше указанного роботизированного подводного аппарата - платформы.
Техническая задача, решаемая посредством предлагаемого технического решения, состоит в разработке конструкции роботизированного подводного аппарата, изготовленного с возможностью изменения формы, а также роботизированного комплекса для проведения подводных работ с использованием выше указанного роботизированного подводного аппарата - платформы.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного технического решения, состоит в повышении безопасности, времени и эффективности проведения глубинных подводно-технических и обзорно-поисковых, а также обследовательских работ на стационарных подводных конструкциях различного назначения и затопленных объектов на дне акваторий.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать погружаемую платформу с изменяемой геометрией предлагаемой конструкции. Она представляет собой средство, выполненное из модулей базовой конструкции, набор которых обеспечивает возможность монтажа платформы заданной конфигурации, и функциональных модулей, закрепляемых на этой конструкции. При этом каждый модуль базовой конструкции содержит на одном конце или двигатель, или манипулятор или поворотный механизм, обеспечивающий изменения геометрической формы платформы, а также систему управляемого изменения плавучести данного модуля. Используемые функциональные модули выбраны из группы, содержащей, по меньшей мере, поворотные и поворотно-складывающие механизмы, при необходимости гусеничные движители, при необходимости обитаемую капсулу управления, движительно-рулевой комплекс, систему энергообеспечения, навигационный комплекс, систему средств обнаружения, систему средств связи, балластно-уравнительную систему, гидравлические/механические манипуляторы, сменные модули для выполнения технических работ, вычислительную бортовую систему, информационно-измерительную систему, судовой/береговой блок управления, бортовой блок системы управления. Предпочтительно платформа-трансформер представляет собой модульную самодвижущуюся рамную конструкцию, выполненную с возможностью в маршевом режиме или в процессе осуществления технологических или контрольных операций изменять свою форму. Предпочтительно она представляет собой базу-носитель приборов, технических устройств и приспособлений, манипуляторов, упоров и захватов, телескопических и/или гидравлических устройств, являющихся самостоятельными легко заменяемыми, в том числе в месте проведения работ модулями, устанавливаемыми на платформу. Однако комплектация платформы-трансформера в зависимости от решаемых ею задач может быть различна. Преимущественно она представляет собой многосекционную наращиваемую рамную конструкцию, на которую производится установка различных модулей. При этом она выполнена с возможностью изменения конфигурации и размеров, как на судне-носителе, так и по месту выполнения работ на дне с применением установленных на платформе-трансформере собственных механических манипуляторов. Для осуществления движения на ней предпочтительно установлены ротор - статорные двигатели типа rim-driven. Преимущественно она выполнена с возможностью горизонтального перемещения в воде за счет поворота движителей относительно конструкции рамы и/или изменения тяги и наклона платформы за счет разницы силы упора ее движителей в сторону движения. Обычно устанавливаемые на платформе модули с манипуляторами выполнены с возможностью угла их горизонтального поворота относительно рамы, на которую он установлен. Обычно на платформе установлены сменные модули, представляющие собой исполнительные механизмы. В базовом варианте реализации конструктивно платформа состоит из отдельных модулей базовой конструкции, из которых собрана сама платформа, а также из отдельных функциональных модулей, закрепляемых на плоскости модулей базовой конструкции, причем каждый модуль содержит на одном конце или двигатель или манипулятор или поворотный механизм, для изменения формы конструкции.
Разработанный комплекс отличается тем, что:
а) платформа-трансформер является модульной самодвижущейся рамной конструкцией, приводимой в движение и удерживаемой в подводном пространстве бортовыми движительными средствами;
б) платформа выполняется любых типоразмеров в зависимости от характера требуемой задачи;
в) платформа преобразуется в обитаемую систему путем установки сферической капсулы вместимостью экипажа из двух человек;
г) платформа в маршевом режиме может изменять свою форму для улучшения параметров объекта управления системы управления, преобразуясь в подводный телеуправляемый/автономный аппарат привычного вида;
д) платформа-трансформер в разных модификациях может являться частью самоходного надводного носителя, для обеспечения работ удаленно от базового судна обеспечения, и вывода платформы в точку выполнения работ;
е) платформа-трансформер является базой-носителем различных приборов, технических устройств и приспособлений, манипуляторов, упоров и захватов, телескопических (гидравлических) устройств различного назначения, являющихся самостоятельными легко заменяемыми, в том числе в месте проведения работ модулями, устанавливаемыми на платформу;
ж) платформа представляет собой многосекционную наращиваемую рамную конструкцию, на которую производится установка различных модулей;
з) платформа конфигурируется и масштабируется при подготовке к выполнению подводных миссий в зависимости от поставленных задач, как на судне-носителе так и по месту выполнения работ на дне, с применением собственных механических манипуляторов, что позволяет создать требуемую устойчивую конструкцию, обеспечивающую выполнение всего комплекса работ без промежуточных подъемов платформы на судно-носитель для установки модулей.
На платформе могут устанавливаться ротор-статорные двигатели (типа rim-driven).
Количество устанавливаемых движителей зависит от степени нагрузки на платформу и требований к скороподъемности платформы.
Горизонтальное перемещение платформы в воде может обеспечиваться поворотом движителей относительно конструкции рамы и/или изменения тяги и наклона платформы за счет разницы силы упора ее движителей в сторону движения.
При горизонтальном движении платформа путем использования специального поворотного центрального механизма и сложения в центральной свой части преобразуется в удобно управляемый привычного вида и конструкции подводный телеуправляемый аппарат, с расположенными в верхней части элементами плавучести.
Самостоятельные модули в составе погружной платформы-трансформера:
- манипуляторный (исполнительный) модуль (гидравлический/ электромеханический манипулятор, система управления, насосная станция при необходимости, блок энергетики);
- модули управления и вычислений (обеспечение телеметрии, управления и бортовых вычислений, необходимых для решения низкоуровневых задач управления движением и управлением движительной системой)
- исследовательские модули (измерительно-информационное и обследовательское оборудование)
- движительно-рулевой модуль (электродвигатели управления и маршевые электродвигатели)
- балластно-уравнительный модуль (система грузов, элементов плавучести, водовытесняющих установок и других решений управлением плавучестью)
- модуль выполнения технических работ (сварка, резка, шлифовка, и прочие виды работ)
- основной составной поворотный модуль
- дополнительный поворотно-изгибающий модуль
- прочие поворотно-выдвижные механизмы
- обитаемая капсула при необходимости
- гусеничные траки при необходимости
В предпочтительном варианте конструктивные элементы балластно-уравнительной системы выполнены с возможностью регулирования их плавучести. Это позволяет использовать комплекс в воде с различной плотностью, что обеспечивает применение комплекса как в морской, так и в речной воде и других жидкостях.
Бортовой промышленный компьютер может быть подключен к системе энергообеспечения через распределительное устройство. Однако в некоторых вариантах реализации он может быть подключен к автономной бортовой системе энергообеспечения, что обеспечит его работу в случае отключения комплекса от внешнего питания.
Используемый информационно-измерительный комплекс включает, по меньшей мере, средства неразрушающего контроля, лазерные системы и телевизионные системы. Однако указанный перечень не ограничивает возможный состав информационно-измерительного комплекса.
Ниже элементы конструкции рассмотрены более подробно.
Платформа является жестким, составным корпусным элементом, несущим на себе все остальные структурные узлы. Платформа собирается из нескольких частей для возможности расположения во внутренней ее части других элементов. Сборка осуществляется посредством применения поворотно-трансформирующих элементов крепления. Вся коммутация энергетических и управляющих каналов осуществляется герметичными разъемами.
Конструктивно платформа состоит из отдельных модулей - базовой конструкции, из которых собирается сама платформа в любой необходимой конфигурации; (основные элементы балки (модули), основные поворотные модули, дополнительные поворотно-изгибающие модули, прочие трансформирующие модули, поворотные манипуляторные балки) и отдельных функциональных модулей, закрепляемых на плоскости модулей базовой конструкции (навесные модули).
Каждый модуль может иметь на одном конце или двигатель или манипулятор или поворотный механизм, для изменения формы конструкции.
На каждый модуль может быть установлена система изменения плавучести данного модуля.
Модули с манипулятором на одном конце другим концом вставляются в поворотный механизм, позволяющий им двигаться по своей продольной оси, то есть или удлинять или укорачивать рычаг и поворачиваться относительно другого модуля.
Между собой несущие модули также стыкуются поворотными механизмами, что позволяет изменять форму рамы.
Движительно-рулевой комплекс содержит маршевые и рулевые движители. Маршевые двигатели могут крепиться жестко и не поворачиваться относительно рамы платформы. При этом сам движитель может являться двигателем, например при использовании ротор-статорного двигателя (типа RIM-Driven). Устройство может иметь несколько двигателей, для осуществления маневрирования.
Дополнительно на раму могут устанавливаться модули для динамического позиционирования (малоразмерные движительные системы).
Благодаря этому комплекс имеет возможность маневрировать в пространстве в 6 степенях свободы.
Система энергообеспечения в случае телеуправляемого варианта представляет собой распределительное устройство (типа «краб») и развитую, питающую все системы, сеть проводников, расходящуюся от него. «Краб» расположен в полости носителя-платформы, в задней его части. Входным элементом «краба» является энергоуправляющий подводный кабель, стыкующийся с задней частью платформы. В автономном и пилотируемом обитаемом режиме электропитание осуществляется за счет бортовых аккумуляторов повышенной емкости.
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. Отдельными модулями управления плавучести являются балластные водовытесняющие системы и водозаполняемые либо надувные эластичные элементы, в том числе для осуществления подъема грузов со дна на поверхность.
Вычислительная бортовая система (ВБС) расположена в полости платформы-носителя в прочном гидростатическом сферическом герметичном корпусе и представляет собой, по сути, по меньшей мере, один промышленный компьютер с установленной операционной системой реального времени и бортовым программным обеспечением, где выполняется 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.
Судовой/береговой блок управления в режиме телеуправления 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 предустановленным 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 обеспечения навигации под водой, осуществления аварийных работ на поверхности в условиях плохой видимости и поиска аппарата в ЧС.
Навигационный комплекс расположен в прочном корпусе 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 допплеровскому (либо вертушечному) лагу, а также используя сетку координат заданную подводными маркерами или используя систему подводной навигации. Поэтому навигационный комплекс тесно связан и зависит от комплекса средств связи. Вариантом навигационной системы может служить система подводной видеонавигации, осуществляющая вычисление положения аппарата относительно поверхности на основе изменения изображения в кадрах телевизионного изображения.
Информационно-измерительный комплекс является основной информационной системой устройства. Он содержит, по меньшей мере:
- средства NDT (неразрушающего контроля)
- гидролокаторы
- акустические профилографы
- магнитный локатор арматуры
- систему ультразвуковой томографии для бетонных элементов
- ультразвуковую систему определения толщины металла
- радиографические системы (гамма и рентген излучений)
- системы вибродинамического исследования
- лазерные системы
- стереотелевизионные и тепловизионные системы
- фото-видео системы
- пробоотборники
- другие системы по требованию
Платформа - трансформер может дополнительно содержать систему обследования протяженных в том числе цилиндрических большого диаметра и площадных подводных участков объектов инфраструктуры, размещенную на борту.
В том числе обеспечивается применение радиографических систем (гамма и рентген излучений) при обследовании объектов за счет возможности расположения датчиков и приемников на противоположных сторонах рамы платформы (сканирующая функция).
Например, становится возможным радиографическое обследование путем обхвата трубопроводов и оснований погружных нефтегазовых платформ, имеющих округлую форму или кабель - тросовых силовых связей или нефте- и газопроводов.
Обследовательский комплекс может также дополнительно содержать набор механических средств и систем для проведения инженерных работ на глубине такие как:
- контактноочистительную систему типа циркулярной щетки и бесконтактную кавитационную гидропушку
- систему подводной сварки
- систему подводной резки
- систему подводной шлифовки
- другие системы механической обработки.
Предлагаемую систему отличает от известных, прежде всего высокая возможность изменения конфигурации и возможность создать жесткую неподвижную базу на подводном объекте для выполнения сложных технических работ, требующих точного позиционирования и сохранения начального положения в течение выполнения задачи.
Предлагаемый комплекс функционирует следующим образом. Материнское судно транспортировщик в управляемом или телеуправляемом режиме подходит в район выполнения работ со сконфигурированной на борту платформой-трансформером. Путем открытия части трюма и использования спускоподъемных лебедочных устройств, платформа спускается под воду. При этом она может спускаться как на док-станции, так и самостоятельно в зависимости от глубины расположения объектов обследования и ремонта. Регулируя упор движителей платформы, а так же его направление и плавучесть, платформа подходит к объекту. В маршевом режиме платформа двигается в сложенном состоянии и представляет собой привычный рамный телеуправляемый/автономный аппарат с элементами плавучести, располагающимися в верхней части. Трансформация путем складывания среднего рамного модуля осуществляется для обеспечения ходкости, маневренности и управляемости платформы. В случае установки обитаемой экипажной капсулы на аппарат, платформа движется в пилотируемом с борта режиме и представляет собой высокоэффективный обитаемый подводный роботизированный аппарат. Капсула располагается в центральной части рамы и имеет высокопрочные иллюминаторы для обеспечения визуального наблюдения при движении и выполнении работ. При приближении ко дну маршевые движители отключаются во избежание поднятия взвеси и донных отложений, и начинают работать дополнительные движители динамического позиционирования. При этом, при любой нагрузке на раму платформы-трансформера ее плавучесть автоматически регулируется у дна на уровне близкой к нулевой до посадки на дно или объект инфраструктуры, далее может изменяться в связи с характером работ. На дне осуществляется обратная трансформация рамы поворотными и выдвижными механизмами для придания необходимой пространственной формы рамы платформы. Подъем осуществляется в обратном порядке. В случае сканирования протяженных цилиндрических объектов (трубопроводы) платформа, принимая форму «П» размещается на объекте вертикально, перпендикулярно его продольной оси. Так им образом пассивные и активные элементы плавучести, а также движители располагаются в верхней части. Опциональные гусеничные траки осуществляют поступательное перемещение сканера по объекту путем непосредственного контакта.
На раме могут быть расположены лазерные сенсоры для предварительного обмера поверхности с целью подготовки инициирующей карты обследуемой поверхности (картосновы, то есть базы, на которую накладываются текущие съемки поверхности, позволяющие анализировать изменения исследуемой поверхности).
Системой предусматривается обеспечение функции забора проб на месте проведения обследований и функция испытаний конструкций. Данные устройства размещают на корпусе системы.
Акустическая ультразвуковая система обследования, применяемая на платформе, представляет собой массив (фазированную решетку) ультразвуковых подводных датчиков с заостренными контактными элементами, расположенных независимо друг от друга на неподвижном основании.
Управление платформой осуществляют по вектору скорости оператором с берегового/судового блока управления, представляющего собой компьютерную систему с операционной системой реального времени с подключенными органами управления системой (трекбол, джойстик). Включение/выключение различных режимов и систем, а также задание выполнения задач в автоматическом режиме осуществляется с клавиатуры. На дисплее берегового/судового блока отображается информация о режимах комплекса, потребления энергии, состоянии блоков и информация с информационно-измерительного комплекса. Эта информация представляет собой непрерывное видеоизображение с подводных телекамер с возможностью визуализации получаемой информации с других систем комплекса. Эта информация может в реальном времени накладываться на предзагруженную карту протяженного подводного объекта. Сохранение, архивация и документирование происходит автоматически.
Вся передача управляющих сигналов от берегового/судового блока управления и информация от подвижной платформы в дуплексном режиме осуществляется посредством тонкого оптоволокна, входящего в состав герметичного высоковольтного кабеля нейтральной плавучести функцией которого является питание подводной части комплекса от берегового блока питания. Блок питания является понижающим/повышающим трансформатором в зависимости от конкретного применения комплекса (запитывания от портовой системы/судовой системы, использование внешнего дизель-генератора и пр.). Нейтральная плавучесть кабеля обеспечивается элементами плавучести, расположенными на кабеле с периодичностью в несколько метров либо использованием специальных материалов оплетки.
Области применения изобретения: поиск и обследование затонувших и стационарно расположенных подводных объектов, выполнение технических работ по сварке, механической обработке, монтажа-демонтажа, спуску и подъему различных конструкций, строплению и прочих работ. Объектами работ могу являться: манифольды, запорная скважинная арматура, затонувшие объекты (в том числе представляющие угрозу химического, радиационного и прочего заражения окружающей среды), стационарные и плавучие объекты нефтегазопромысловой инфраструктуры, объекты гидротехнической инфраструктуры, нефтегазопроводящие магистрали и пр.