КОМПЛЕКС ТЕЛЕУПРАВЛЯЕМОГО НЕОБИТАЕМОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к конструктивному выполнению оборудования судов, предназначенных для специальных целей и включающих устройства для обнаружения объектов под водой. Техническое решение может использоваться для проведения подводных поисковых и допоисковых работ, для изучения морского дна, инспектирования трубопроводов, передачи информации на поверхность и совершения подводно-технических работ.
Известны необитаемые подводные аппараты, как автономные, так и управляемые дистанционно по кабель-тросу с пульта, расположенного на обеспечивающем судне, как правило, оснащающиеся фототелевизионными системами, которые включают видеокамеру, светильники, устройства стабилизации глубины и устройства навигации (Морской энциклопедический справочник: В двух томах. Том 2 / Под ред. Н.Н.Исанина. - Л.: Судостроение, 1987, с.102-103 (Подводные аппараты).
Известны телеуправляемые необитаемые подводные аппараты (ТИПА), имеющие раму, корпус прямоугольной формы, в верхней части которого размещены блоки положительной плавучести (Необитаемые подводные аппараты. Под общей ред. Сытина А.В. - М.: Воениздат, 1975, с.21). В этих аппаратах в носовой части корпуса смонтированы телеаппаратура и источники света. Аппарат имеет два маршевых движителя и один маневровый, установленный в вертикальной плоскости. Питание механизмов и систем, управление ими осуществляется по закрепленному в верхней части корпуса кабелю-тросу. Снизу на раме смонтирован манипулятор. Такая конструкция ТИПА имеет ряд недостатков, ограничивающих его технологические возможности, а именно низкие ходовые и маневренные качества, особенно низкая устойчивость на курсе, невозможность полноценного движения лагом, вследствие отсутствия лагового движителя как такового.
Кроме того, расположение телеаппаратуры только спереди корпуса резко ограничивает возможности ТИПА по передаче информации, не позволяя осуществлять одновременное наблюдение за внешней обстановкой с разных сторон.
Известен Комплекс телеуправляемого подводного аппарата «Нерей-350» по патенту №108747 от 07.02.2011 г., принятый за наиболее близкий аналог заявляемой полезной модели.
Комплекс телеуправляемого подводного аппарата (ТПА) «Нерей-350» состоит из надводной части, кабельной части и подводной части. Надводная часть представляет собой блок, включающий в себя систему питания аппаратом, систему управления и отображения видеоинформации, пульт управления (ПУ), гидроакустическое оборудование (антенна подводной навигации), компьютер управления и компьютер обработки гидроакустической информации. Кабельная часть представляет собой вьюшку с токосъемником для передачи питания и сигналов телеметрии на подводную часть. Подводная часть представляет собой телеуправляемый подводный аппарат, состоящий из металлической рамы, на которую установлено несколько прочных корпусов с электроникой и датчиками навигации и ориентации (датчик курса-крена-дифферента, датчик давления, магнитный компас), одна видеокамера, светильники, два горизонтальных и два вертикальных движителя, гидролокатор кругового обзора, маяк-ответчик подводной системы навигации.
Основной задачей комплекса является выполнение осмотровых и поисковых работ, телеуправляемый подводный аппарат, таким образом, должен, прежде всего, обладать повышенной информативностью. Недостатками наиболее близкого аналога являются недостаточность оснащения аппарата видеотехникой (одна видеокамера), а также отсутствие камеры в корме аппарата, что является необходимостью при проведении поисковых работ в ущельях в условиях плохой видимости и наличия препятствий для маневров.
Также недостатком наиболее близкого аналога является конструкция движительной системы, а именно оснащение аппарата двумя горизонтальными движителями и двумя вертикальными движителями под наклоном относительно вертикальной оси симметрии (полувекторная схема расположения движителей). При такой схеме движение аппарата лагом происходит с низкой скоростью, что значительно снижает удобство управления ТПА оператором, ограничивает использование аппарата даже при небольших течениях и, как следствие, снижает эффективность выполнения осмотровых, поисковых и других подводно-технических работ.
Использование аппарата в условиях подводных течений и волнения моря также осложняет отсутствие режимов стабилизации по курсу и глубине. Без данных режимов стабилизации управление подводным аппаратом существенно усложняется, нельзя стабилизироваться по курсу и глубине в автоматическом режиме, а осуществить это в ручном режиме, даже при минимальном волнении моря и течениях, сложно и ставится под строгую зависимость от навыков и опыта пилота аппарата.
Еще одним из недостатков является отсутствие возможности одновременного управления подводным аппаратом в горизонтальной и вертикальной плоскости, а лишь при переключении между режимами в силу разделения управления на джойстике на 2 независимых режима: управление в горизонтальной плоскости по маршу, по лагу, разворот и управление по вертикали. Это делает крайне неудобным управление маневрированием ТПА и сильно усложняет проведение подводных работ и осуществления поиска под водой.
Рама подводного аппарата комплекса представляет собой сварную металлическую конструкцию, что существенно увеличивает массу аппарата, увеличивает хрупкость рамы при наличии внешних воздействий и уменьшает срок ее эксплуатации. При этом для компенсации дополнительной массы необходимо увеличение объема плавучести, что опять же приводит к увеличению массы аппарата на суше.
Подводный аппарат «Нерей-350» имеет возможность подключения устройств по интерфейсу RS-232/485. Эти интерфейсы дают очень ограниченный ряд подключаемого оборудования и датчиков, что не достаточно для полноценного ведения обследовательских и подводных работ. В качестве примера подводный многолучевой гидролокатор Gemini имеет интерфейс подключения Ethernet, таким образом, установка данного устройства на подводный аппарат «Нерей-350» и его работа в составе комплекса невозможна.
Навигационная система MicroNav имеет ряд ограничений по использованию. Антенна навигационной системы устроена так, что маяк ответчик, установленный на ТПА, может работать на расстоянии не более 150 м по глубине и не более 450 м в горизонтальной плоскости. Тем самым при погружении аппарата на глубину более 150 м использование гидроакустической навигационной системы невозможно.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение маневренности и улучшение управляемости телеуправляемого необитаемого подводного аппарата, улучшение информативности при проведении подводно-технических, осмотровых и поисковых работ. Техническим результатом от использования полезной модели является повышение эффективности проведения подводно-технических и осмотровых работ.
Указанный результат достигается использованием комплекса телеуправляемого необитаемого подводного аппарата, содержащего установленную на обеспечивающем судне бортовую часть, соединенную кабель-тросом с забортной подводной частью и включающего надводный модуль, содержащий блок отображения информации, блок питания, блок обработки гидроакустической информации, блок отображения видео и гидроакустической информации, пульт управления, антенну системы подводного позиционирования, кабель-трос на кабельной вьюшке с токосъемником, подводная часть комплекса выполнена в виде модуля телеуправляемого необитаемого подводного аппарата, который содержит несущую раму с блоком плавучести, подводная часть оснащена телекамерами, источниками освещения и маяком-ответчиком системы подводного позиционирования, гидролокатором, навигационным блоком, распределительным блоком, движителями, манипулятором, отличающегося тем, что подводная часть содержит по меньшей мере пять движителей, горизонтальные движители расположены по векторной схеме, наклонную платформу, содержащую по меньшей мере одну видеокамеру и/или светильник, подводная часть содержит по меньшей мере две видеокамеры.
Задача также решается тем, что комплекс имеет режимы удержания заданного курса и глубины.
Задача также решается тем, что комплекс имеет режим удержания расстояния аппарата до дна.
Задача также решается тем, что элементы пульта управления работают в одном режиме.
Задача также решается тем, что рама выполнена неметаллической.
Задача также решается тем, что подводная часть содержит по меньшей мере один двух- и более степенной манипулятор.
Задача также решается тем, что подводная часть имеет интерфейсы RS232, RS485 и Ethernet.
Задача также решается тем, что используется электро-оптический кабель для соединения бортовой и подводной части комплекса.
Задача также решается тем, что распределительный блок подводной части комплекса содержит блок питания, коммутационно-защитную плату, оптоволоконный преобразователь.
Задача также решается тем, что подводная часть содержит гидролокатор кругового обзора и/или систему подводного позиционирования и/или многолучевой гидролокатор и/или альтиметр и/или датчик солености и/или датчик катодного потенциала и/или датчик скорости звука и/или доплеровский лаг и/или гидролокатор бокового обзора и/или датчик радиационного фона и/или детектор взрывчатых веществ.
Полезная модель поясняется чертежами:
фиг.1 Схема компоновки ТИПА; фиг.2 Блок-схема подводного аппарата комплекса; фиг.3 Блок-схема надводной части комплекса.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - Распределительный блок;
1-1 - Оптоволоконный преобразователь;
1-2 - Блок питания;
1-3 - Коммутационно-защитная плата;
2 - Блок коммутации света и видеосигналов;
3 - Навигационный блок;
3-1 - Плата управления навигационном блоком;
3-2 - Датчик ориентации;
3-3 - Датчик давления;
4 - Движители;
4-1 - Вертикальные движители;
4-2 - Горизонтальные движители;
5 - Наклонная платформа;
6 - Видеокамера;
7 - Светильник;
8 - Кабель;
9 - Манипулятор;
10 - Гидролокатор;
11 - Маяк-ответчик системы позиционирования;
12 - Надводного модуля;
12-1 - Надводный блок питания;
12-2 - Надводный оптоволоконный преобразователь;
12-3 - Плата видеоналожения;
12-4 - Компьютер ГКО, системы позиционирования и дополнительного оборудования;
12-5 - Монитор отображения видеоинформации;
12-6 - Монитор отображения гидроакустической информации и дополнительного оборудования;
12-7 - Пульт управления;
13 - Кабельная вьюшка;
14 - Антенна гидроакустической системы позиционирования.
Наличие в подводной части ТНПА как минимум пяти движителей, расположение при этом горизонтальных движителей по векторной схеме, наличие, в частном случае двух, движителей в вертикальной плоскости существенно повышает маневренность аппарата, позволяет равноценно двигаться по маршу и по лагу, совершать разворот относительно собственной вертикальной оси, что улучшает удобство и точность управления. Два установленных в вертикальной плоскости движителя позволяют иметь увеличенное количество дополнительного оборудования за счет большего создаваемого упора. Также два движителя значительно повышают вертикальную скорость погружения и всплытия, что существенно сокращает скорость подъема и спуска к месту обследования и/или проведения подводно-технических работ.
Подводный аппарат имеет возможность подключения большого количества камер и передачи одновременно нескольких видеопотоков на надводный модуль комплекса, а также установки камер на нос и/или корму и/или любое необходимое место на раме аппарата. Эта возможность значительно повышает информативность комплекса, т.к. есть возможность исследовать и производить поиск по информации сразу нескольких камер. Также ТНПА имеет подвижную платформу, установленную в носу аппарата, способную поворачиваться с помощью привода на угол не меньше 180 градусов и имеет возможность установки на нее как минимум одной камеры и как минимум одного светильника. Подводный аппарат имеет основной прочный герметичный корпус, который содержит блок питания, мультиплексор, плату распределения всех узлов подводной части комплекса и систему защиты отдельных частей комплекса. Все это оборудование установлено на полипропиленовую раму, скрепленную алюминиевыми профилями между собой. Данная конструкция позволяет существенно снизить массу аппарата и увеличить стойкость к внешним воздействиям, таким как удары при спуско-подъемных операциях или при проведении подводных и поисковых работ.
Комплекс ТНПА имеет возможность подключения дополнительного оборудования и датчиков по интерфейсам RS-232/485, Ethernet, а также любую серийную систему подводного позиционирования и/или любой серийный гидролокатор (как кругового обзора, так и многолучевой). Комплекс ТНПА имеет автоматические режимы управления по курсу и/или глубине, что позволяет удерживать необходимую при проведении работ глубину и/или курс и существенно упрощает проведение поисковых и подводных работ. Это осуществляется путем выхода в ручном режиме на необходимую глубину и курс, руководствуясь данными с навигационного модуля подводной части комплекса, далее включением автоматических режимов на ПУ по курсу и/или глубине.
Комплекс ТНПА также осуществляет удержание расстояния аппарата до дна в автоматическом режиме при наличии в составе подводной части комплекса датчика расстояния до дна (альтиметра).
Манипулятор-схват имеет функцию неограниченного вращения схвата, что существенно повышает возможности при проведении подводно-технических работ. При работах схват может быть повернут на любой необходимый угол наклона в любом направлении. Эта функция существенно расширяет возможности использования ТНПА при проведении подводных работ.
Кроме того, особенностью комплекса является пульт управления подводным аппаратом, который имеет джойстик, потенциометры и кнопки для одновременного управления движением аппарата, плавной регулировкой света, включением/выключением света, управлением наклона платформы, регулировкой мощности движителей, управлением манипулятором.
Помимо этого, в комплексе используется кабель нейтральной плавучести с оптическим волокном, что позволяет передавать информационные потоки разного рода по одному оптическому кабелю, при этом толщина его значительно ниже, чем аналогичные не оптические. Наличие более тонкого кабеля сокращает массу и габариты комплекса, а также положительно влияет на динамические характеристики подводного аппарата, лучшие гидродинамические показатели более тонкого кабеля положительно сказываются на управляемости подводного аппарата.
В частном случае комплекс выполнен с возможностью проведения работ на глубине до 350 м, с кабелем, соединяющим надводный модуль и подводный аппарат, длиной 400 м, при этом масса аппарата не превышает 45 кг при габаритах 830×600×480 мм, масса надводного модуля комплекса не превышает 35 кг при габаритах 600×570×640 мм.
Для работы комплекса надводный модуль подключается к сети питания 220 В, 50 Гц, устанавливается антенна гидроакустической системы позиционирования 14, совершается спуск подводного аппарата в воду с помощью кабельной вьюшки 13. При этом на мониторах 12-5 отображается видеоинформация, которая несет в себе видеоизображение с параметрами состояния систем и датчиков, а на мониторе 12-6 отображается гидроакустическая информация с гидролокатора, подводной системы позиционирования и дополнительного оборудования. В конкретном случае подключаются дополнительные мониторы для одновременного отображения видеоизображения с нескольких камер и дополнительных устройств и датчиков. С помощью пульта управления 12-7 осуществляется дистанционное управление подводным аппаратом, такое как управление движением по маршу, лагу, разворот на месте (налево-направо), управление движением по вертикали, управление интенсивностью светом, включение-выключение света, управление мощностью движителей аппарата, включение-выключение движителей, управление наклонной платформой, включение-выключение режима удержания курса, включение-выключение режима удержания глубины, управление манипулятором. При управлении по маршу, лагу и при развороте задействованы только группа горизонтальных движителей 4-2, при вертикальном движении только группа вертикальных движителей 4-1. При этом управление с помощью пульта управления 12-7 по всем воздействиям может осуществляться одновременно. С помощью кабельной вьюшки 13 происходит регулирование необходимой для работы длины кабеля путем стравливания или забора кабеля, исключая натягивание или сильное провисание кабеля в воде, обеспечивая тем самым нормальную работу ТНПА.
С помощью установленных телекамер, светильников, гидролокатора кругового обзора 10 или другого типа гидролокатора (и/или дополнительного оборудования) осуществляются исследования, поиск и допоиск подводных объектов. Отображение видеоинформации осуществляется с помощью монитора 12-5 через плату видеоналожения 12-3. Плата видеоналожения 12-3 осуществляет отображение информации о состоянии аппарата «поверх» видеоизображения, а именно курс, глубину погружения, текущее время и дата проведения работ, режимы стабилизации курса и глубины, угол наклона поворотной платформы, уровень интенсивности света, уровень мощности движителей, включения-выключения движителей и света, а также в любом сочетании между собой. Для подводной навигации аппарата и для определения места расположения найденного объекта используется система подводного позиционирования, которая состоит из маяка-ответчика 11, установленного на подводном аппарате, антенны гидроакустической системы позиционирования 14, компьютера для гидроакустических систем и дополнительного оборудования 12-4 с установленным программным обеспечением и монитором отображения гидроакустической информации 12-6. Для координирования места положения аппарата и/или объекта в конкретном случае к надводному модулю подключается система спутникового позиционирования GPS и/или ГЛОНАСС. Информация с ГКО также обрабатывается в компьютере для гидроакустических систем и дополнительного оборудования и отображается на мониторе 12-6, в частном случае гидроакустическая информация и информация с дополнительных датчиков и оборудования могут быть отображены на разных мониторах. Для удобства проведения осмотровых работ на аппарате смонтирована поворотная платформа 5, с установленными на нее телекамерой 6 и светильником 7. Платформа 5 представляет собой герметичный электромеханический привод, который позволяет вращать установленные на нее телекамеру и светильник на угол не менее 180 градусов. Управление платформой 5 осуществляется с помощью пульта управления 12-7.
Управление подводным аппаратом комплекса осуществляется через кабель 8, который содержит силовые провода и оптическое волокно. Силовые провода служат для питания систем аппарата, а оптоволокно для передачи сигналов управления, видео, гидроакустической информации, данных с дополнительного оборудования и датчиков. В подводном аппарате кабель присоединяется с помощью герметичного разъема к распределительному блоку 1, в нем силовые провода подсоединяются к блоку питания 1-3 а оптическое волокно к оптоволоконному преобразователю 1-1, который осуществляет преобразование оптического сигнала в сигналы управления, видео, гидроакустические, а также данные дополнительного оборудования и датчиков. Коммутационно-защитная плата 1-3 служит для распределения и защиты сигналов управления и питания для систем аппарата, гидроакустического оборудования и дополнительного оборудования и датчиков. К распределительному блоку с помощью герметичных разъемов подсоединяются устройства и система аппарата, такие как движители 4, блок коммутации света и видеосигналов, навигационный блок, наклонная платформа, гидролокатор кругового обзора, маяк-ответчик системы подводного позиционирования, в частном случае 2-х степенной, манипулятор, а также блок дополнительного оборудования и датчиков, для этого предусмотрены дополнительные интерфейсы RS232, RS485, Ethernet. В свою очередь к блоку коммутации света и видеосигналов 2 подсоединяются с помощью герметичных разъемов видеокамеры и светильники, этот блок сложит распределения сигналов для видео и света, а также упрощения коммутации элементов подводного аппарата.
Ответная часть кабеля подсоединяется к надводному модулю комплекса 12, причем силовые контакты подсоединяются к надводному блоку питания 12-1, который в свою очередь является источником питания для подводного аппарата. Сигналы оптического волокна преобразуются в блоке 12-2 надводным оптоволоконным преобразователем в сигналы управления, видео, гидроакустической информации и дополнительного оборудования и датчиков.
Заявляемое в качестве полезной модели техническое решение реализовано в разработке ОАО Тетис Про «Марлин-350», подготовленной к запуску в серийное производство.