СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ОБИТАЕМОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА НАД ОБЪЕКТОМ РАБОТ
METHOD OF DYNAMIC POSITIONING OF MANNED UNDERWATER APPARATUS ABOVE WORK OBJECT

Область техники
Предлагаемое изобретение относится к средствам передвижения в водной среде, измерительной технике и методике проведения океанологических исследований и подводно-технических работ с борта обитаемого подводного аппарата.
Уровень техники
Динамическое позиционирование объекта - его стабилизация в заданной точке пространства - широко используется на надводных научно-исследовательских, буровых и судоподъемных судах. Развитие метода стабилизации судов на море позволило совершать операции по бурению (повторный ввод бурового инструмента на глубинах до 6000 м), судоподъем части подводной лодки у Гавайских островов, стабилизации осветительного комплекса на глубинах до 4000 м над заданным районом с целью киносъемки затонувшего германского корабля «Бисмарк».
При этом необходимо отметить, что самым неразвитым и не интегрированным в общий комплекс обитаемых подводных аппаратов (ОПА) оказались системы стабилизации ОПА над объектом работ. Единственным опытом в создании системы динамического позиционирования ОПА в Российской Федерации является ее реализация на ОПА «ОСА», да и то на уровне макетного образца. На широко известных аппаратах «МИР» систем динамического позиционирования над объектом работ не существует [1]. Огромные средства, потраченные на создание обитаемых и необитаемых подводных аппаратов (ПА), не дают ожидаемого эффекта, так как аппараты остаются наблюдательными платформами и на них затруднительно выполнять даже простые технологические операции.
На данный момент времени существуют инженерные проработки по созданию систем динамического позиционирования ОПА. Для реализации динамического позиционирования необходимы две системы: развитая система активных движителей и система информации о линейных и угловых перемещениях ОПА относительно заданной точки на дне.
Для решения проблемы стабилизации необходимо решить вопрос-синтез движительного комплекса ОПА, который был бы способен обеспечить формирование суммарного вектора упора в полной сфере пространства, что требует избыточности движительного комплекса. Обитаемый подводный аппарат как объект, положение которого в пространстве определяется шестью степенями свободы, должен иметь для формирования названного пространственного вектора суммарного упора не менее 6-ти движителей, расположенных таким образом, что каждая пара движителей контролирует одно линейное и одно угловое перемещение ОПА. Однако из-за ряда функциональных и конструктивных причин 6 движителей сложно расположить на ОПА так, чтобы они контролировали любые перемещения аппарата в пространстве. Необходимо установить их большее количество, что и определяет избыточность движительного комплекса.
Для теоретической возможности выявления и анализа роли каждого из движителей, контроля его влияния и степени участия в формировании результирующего вектора упора и скорости движения ОПА вводится базовая и дополнительная система координат.
Базовая система координат помещается началом в центре ОПА. Дополнительные системы координат помещают началом в точках приложения вектора упора каждого движителя. Эта процедура позволяет выделять каждый движитель, создаваемый им упор и контролировать его величину по модулю и по направлению. Математическая модель такой движительной системы позволяет сформировать управление упором каждого движителя и теоретически решать задачу адаптации системы к изменяющимся условиям. На Фиг.1 приведена базовая и дополнительная системы координат [2, 3, 4, 5].
И.П.Чубаренко был предложен оригинальный обобщенный подход к выбору структуры движительного комплекса ОПА в виде выпуклых правильных многогранников (тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр) [1]. В вершинах многогранников находятся движители. При подобном подходе проектируемый подводный аппарат, в зависимости от числа и расположения движителей, может быть представлен соответствующей объемной фигурой, что упрощает теоретическое решение задачи по компоновке движительного комплекса ОПА. На Фиг.2. представлены варианты движительных комплексов и приведены значения коэффициента их избыточности для каждого случая.
В заключение отметим, что задача создания системы динамического позиционирования ОПА на практике не решалась, за исключением создания макетного образца на ОПА «ОСА». Уровень техники в данном направлении характеризуют теоретические проработки компоновки движительного комплекса ОПА.
Сущность изобретения
В предлагаемом изобретении решается задача расширения фронта работ, которые могут быть выполнены с борта обитаемого подводного аппарата (ОПА), сокращения времени, необходимого для выполнения работ, повышения безопасности проведения работ за счет динамического позиционирования ОПА, т.е. придания ему на время работ качества неподвижной платформы в условиях действия на него внешних возмущений, вызванных природными явлениями или работой манипуляционно-технологического комплекса.
Для реализации предлагаемого изобретения авторами разработана система динамического позиционирования ОПА над объектом работ, являющаяся составной частью навигационной системы ОПА. На Фиг.3. приведена ее структурная схема. Из средств обеспечения динамического позиционирования ОПА над объектом работ, входящих в систему, скомплектованы две подсистемы: подсистема контроля положения ОПА в пространстве над объектом работ по акустическим маякам и движительная подсистема.
Подсистема контроля положения ОПА над объектом работ является частью навигационной системы ОПА и включает в себя акустические маяки (1.1, 1,2……l.n), которые устанавливаются в районе работ, блок предварительной обработки информации, анализирующий отклонение от заданного положения ОПА.
Движительная подсистема включает в себя шесть винтовых движителей (2.1, 2.2, … 2.n), расположенных в вершинах октаэдра, и двенадцать подруливающих движителей (3.1, 3.2, …, … 3.n), построенных на принципе, позволяющем использовать морскую среду, в которой движется судно, как рабочее тело в соответствии с законом Лоренца [6]. В выбранных подруливающих движителях отсутствует механическая ступень в передаче энергии движителя окружающей среде (винт судна), они имеют максимальное согласование параметров источника энергии (электрического) с нагрузочными характеристиками устройств потребления (привода), органично встраиваются в движительную подсистему ОПА.
Подруливающие движители располагаются по две штуки в непосредственной близости с каждым винтовым движителем с двух сторон в одной плоскости, положение которой определяется при швартовых испытаниях ОПА в начале работ или после переоборудования ОПА, изменившего его внешнюю конфигурацию. Подруливающие движители осуществляют корректировку направления вектора упора винтового движителя.
Созданная система динамического позиционирования ОПА позволяет обеспечить требуемое быстродействие для отработки возникающих сигналов рассогласования - отклонения от заданного положения, т.е. адаптации движительного комплекса ОПА к внешним возмущающим воздействиям со стороны внешней среды, так как ее подсистемы обладают определенной избыточностью.
Основным элементом системы динамического позиционирования ОПА является центральная ЭВМ (4), обеспечиваюшая вывод информации блока предварительной обработки информации, анализирующего отклонение от заданного положения ОПА над объектом работ (5), на пульт управления всей системой (6), выдачу информации на пульт оператора (7) и по команде оператора через локальную линию связи (8) в блок управления движительной системой (9), обеспечивающий динамическое позиционирование, т.е. удержание ОПА в состоянии неподвижной платформы в заданном оператором положении над объектом работ, а район работ предварительно оборудуется акустическими маяками.
Возможность осуществления
Система динамического позиционирования обитаемого подводного аппарата (ОПА) над объектом работ по заданию оператора решает весь комплекс работ по приданию и удержанию ОПА в состоянии неподвижной платформы в заданном оператором положении над объектом работ.
Система динамического позиционирования ОПА над объектом работ состоит из двух подсистем: подсистемы контроля положения ОПА в пространстве над объектом работ и движительной подсистемы.
В состав подсистемы контроля положения ОПА в пространстве над объектом работ входят акустические маяки (1.1, 1.2, 1.3,... 1.n), блок предварительной обработки информации, анализирующий отклонение от заданного положения ОПА в районе работ, предварительно оборудованном акустическими маяками.
В состав движительной подсистемы входят шесть винтовых движителей, расположенных в вершинах октаэдра (2.1, 2.2, … 2.6), и двенадцать подруливающих движителей (3.1, 3.2, … 3.12), которые располагаются по две штуки в непосредственной близости с каждым винтовым движителем, и блок управления движителями, изменяющий величину и направление вектора их воздействия по команде центральной ЭВМ.
Основным элементом системы динамического позиционирования ОПА является центральная ЭВМ (4), обеспечивающая вывод информации блока предварительной обработки информации, анализирующего отклонение от заданного положения ОПА над объектом работ (5), на пульт управления всей системой (6), выдачу информации на пульт оператора (7) и по команде оператора через локальную линию связи (8) в блок управления движительной системой (9), обеспечивающий динамическое позиционирование, т.е. удержание ОПА в состоянии неподвижной платформы в заданном оператором положении над объектом работ.
Методика проведения подводно-технических работ обитаемым подводным аппаратом, оснащенным системой динамического позиционирования, заключается в том, что в районе нахождения объекта работ оператор обитаемого подводного аппарата выполняет съемку рельефа дна, расставляет акустические маяки, устанавливает ОПА в положение, удобное для производства работ, дает команду системе динамического позиционирования запомнить положение ОПА по отношению к маякам и осуществлять удержание ОПА в заданном положении при внешних воздействиях, вызванных природными явлениями или работой устройств манипуляционно-технологического комплекса ОПА.
Обитаемый подводный аппарат, оснащенный предложенной системой динамического позиционирования, приобретает качества неподвижной платформы над объектом работ и позволяет экипажу выполнять различные виды подводно-технических работ.
Источники информации
1. Смирнов Г.В., Еремеев В.Н., Агеев М.Д., Коротаев Г.К., Ястребов B.C., Мотыжев С.В. «Океанология. Средства и методы океанологических исследований». М.: Наука, 2005, 795 стр.
2. Хэкмен Д., Коди Д. «Подводный инструмент»: Пер. с англ. - Л.: Судостроение, 1985. - 128 с.
3. Ракитин И.Я. «Подводные робототехнические системы» - М., 2002. 191 с.
4. Морские технологии, под общей редакцией академика М.Д.Агеева, вып.3, «Подводные роботы и их системы», Дальнаука, Владивосток, 2000.
5. Войтов Д.В. «Подводные обитаемые аппараты» - М.: ООО «Издательство ACT»: OOO «Издательство Астрель», 2002. - 303 с., 16 л. ил.
6. Дозоров Т.А., Смирнов Г.В. Патент России №2271302, кл. В63Н 19/00 (2006.01). Способ перемещения тела в морской среде и устройство для его реализации.