Подводный робототехнический комплекс
UNDERWATER ROBOT SYSTEM

Изобретение относится к области обслуживания и периодического осмотра поверхностей подводной части гидротехнической и нефтегазопромысловой инфраструктуры, а именно к телеуправляемым подводным робототехническим системам, обеспечивающим высокоточное обследование, в том числе с применением методов неразрушающего контроля, фотовидеосъемку и профилирование подводных протяженных, преимущественно вертикально и горизонтально расположенных поверхностей объектов, и может быть использовано для автоматизации осмотровых подводных процессов (с привязкой к географическим и локальным координатам), а именно точного определения деформаций, сколов, образовавшихся трещин, каверн и прочих дефектов как на поверхности обследуемого объекта, так и внутри него, а также обследование корпусов судов в части исследования остаточной толщины покрытия, толщины листа металла и его состояния и состояния катодной защиты (Бортовые вычислительные сети // Современные технологии автоматизации, №2, 2005, с. 68-74 [1], Применение ОС QNX в подводной робототехнике // Современные технологии автоматизации, №3, 2000, с. 66-71 [2], Информационно-управляющая система необитаемого подводного аппарата // Современные технологии автоматизации, №2, 1997, с. 46-49 [3]).
Известный малогабаритный телеуправляемый подводный аппарат (патент RU №2387570 С1, 27.04.2010 [4]) 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.
Недостатком известного аппарата можно признать его сложность и высокую стоимость, что препятствует его широкому применению. Недостатком также необходимо считать отсутствие шасси (колесного или гусеничного), что исключает возможность проведения работ на наклонных, вертикальных и поверхностях с отрицательным уклоном под водой, а также на горизонтальных поверхностях на суше (отсутствие амфибийных качеств машины). Существенным недостатком можно признать невозможность применения вибродинамического оборудования для глубокого исследования поверхности.
Известен аппарат обнаружения и автоматического подъема затонувшего судна, содержащий подводный аппарат, оснащенный электронным блоком и лебедкой с тросом, на конце которого закреплен буй (патент US №3559607 [5]).
Недостатком известного аппарата являются ограниченные функциональные возможности: аппарат не может совершать горизонтального перемещения под водой, а его вертикальное перемещение не является достаточным. Существенным недостатком является отсутствие возможности дискретного хода вдоль обследуемой поверхности с сохранением постоянной величины отстояния от нее, а также невозможность определения мелких и средних дефектов на обследуемой площади.
Известны подводные аппараты, содержащие корпус с механизмом задания плавучести (буй), в полости которого расположен электронный блок, подключенный к одному концу сигнального кабеля, размещенного на катушке (заявка FR №2046690 [6]).
Однако эти аппараты не могут совершать сложных маневров, а дальность их действия невелика. Это существенно ограничивает возможность использования подобных аппаратов в качестве подводного робота. Кроме того к недостаткам можно отнести невозможность проведения обследования вдоль требуемой траектории.
Известен также 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 ("Подводная техника морских нефтепромыслов". - Л.: Судостроение, 1980, с. 116-118 [7]).
Недостатками известного аппарата следует признать ограниченную маневренность, недостаточный радиус действия, недостаточность регистрируемой информации об объекте исследования, возможность работы, только перемещаясь по дну. Также к недостаткам можно отнести отсутствие возможности проведения ультразвуковых измерений из-за плохо подходящего для этого выбранного типа корпуса и принципа движения.
Известен также подводной робототехнический комплекс (патент на полезную модель RU №102350 UI, 27.02.2011 [8]), который относится к области обслуживания и периодического осмотра поверхностей подводной части гидротехнической и нефтегазопромысловой инфраструктуры, а именно - к телеуправляемым подводным робототехническим системам, обеспечивающим высокоточное обследование, фотовидеосъемку и профилирование подводных протяженных, преимущественно вертикально и горизонтально расположенных поверхностей объектов, и который может быть использован для автоматизации осмотровых подводных процессов, а именно точного определения деформаций, сколов, образовавшихся трещин, каверн и прочих дефектов как на поверхности обследуемого объекта, так и внутри его, а также обследование корпусов судов. Комплекс содержит носитель оборудования, движительно-рулевую систему, систему энергообеспечения, навигационную систему, систему средств обнаружения, систему средств связи, балластно-уравнительную систему, вычислительную бортовую систему, судовой/береговой блок управления, информационно-измерительную систему, блок системы управления и опциональный механический манипулятор.
Дальнейшим усовершенствованием известного подводного робототехнического комплекса [8] является известное техническое решение, направленное на обеспечение автоматизации подводных и приповерхностных работ в области обследования объектов на предмет различных повреждений, усталостных деформаций и их дефектации, в том числе методами неразрушающего контроля (патент RU №2446983 CI, 10.04.2012 [9]), техническим результатом которого является повышение безопасности использования объектов речной, морской, портовой гидротехнической и нефтегазопромысловой инфраструктуры за счет однозначного, дистанционного определения дефектных участков объектов и их повреждений.
Известный робототехнический комплекс [9] (прототип) содержит носитель оборудования, движительно-рулевую систему (комплекс), систему энергообеспечения, навигационную систему (комплекс), систему средств обнаружения, систему средств связи, балластно-уравнительную систему, вычислительную бортовую систему, судовой/береговой блок управления, информационно-измерительную систему, блок системы управления, опциональный механический манипулятор. Носитель оборудования выполнен в виде полой платформы, на/в которой размещены практически все остальные элементы комплекса. Так, в частности, движительно-рулевой комплекс содержит по меньшей мере один движитель, закрепленный на платформе, система энергообеспечения представляет собой распределительное устройство, расположенное в полости платформы и подключенное с одной стороны к сети электрических проводников, подводящих электрическое питание к энергопотребляющим компонентам комплекса, а с другой стороны к питающему герметичному электрическому кабелю, подающему питание с берега/судна. Балластно-уравнительная система представляет собой набор конструктивных элементов, участвующих в создании плавучести аппарата, близкой к нулевой. Вычислительная бортовая система расположена в полости платформы и представляет собой вычислительную машину с установленной операционной системой реального времени, обеспечивающей управление всеми бортовыми системами, входящими в комплекс, а также сбор, сохранение и передачу на внешний пульт управления собираемой информации, при этом элементы вычислительной бортовой системы размещены в герметичном гидростатическом корпусе. Судовой/береговой блок управления и энергообеспечения представляет собой вычислительную машину (систему машин), коммутируемую с подводной частью комплекса посредством энергоинформационного подводного герметичного кабеля, состоящего из информационно-управляющего оптоволокна и силового кабеля, и систему электропитания (высоковольтный трансформатор/коммутирующее устройство/генератор). Указанный блок в зависимости от условий эксплуатации комплекса может располагаться как на берегу, так и на борту плавсредства. Система средств обнаружения аппарата представляет собой совокупность маяков и маяков-ответчиков, установленных на элементах комплекса, навигационный комплекс размещен в полости платформы и представляет собой набор средств для осуществления навигации и позиционирования аппарата.
Для упрощения монтажа, перевозки и эксплуатации комплекса платформа может быть выполнена составной. Комплекс может содержать по меньшей мере два колесных движителя, расположенных на бортах платформы и закрепленных на осях двигателей, расположенных внутри полой платформы. Также комплекс может содержать винтовой движитель, представляющий собой элемент, в том числе ротор-статорного двигателя, либо массив (2×2) винтовых движителей, расположенных в верхней части комплекса с возможностью поворота вокруг поперечной горизонтальной оси для осуществления управления по дифференту и имеющих поворотную кавитационную насадку для управления комплексом по курсу, прикрепленную к платформе на вертикально-расположенных кронштейнах. 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 указанное 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. Совокупность маяков и маяков-ответчиков содержит, по меньшей мере, установленный в верхней части конструкции гидроакустический маяк-ответчик, а также светоимпульсный маяк, установленной в задней части конструкции. Используемый навигационный комплекс содержит по меньшей мере трехкомпонентный ферромагнитный компас, комплексированный с волоконно-оптическим гирокомпасом, а также средства позиционирования по линейным координатам. Используемая система средств связи представляет собой, по меньшей мере, антенну GPS/ГЛОНАСС, гидроакустическую приемную антенну с ультракороткой базой и маяк-ответчик, а также радиомодем и спутниковый модем. Используемый информационно-измерительный комплекс включает, по меньшей мере, средства неразрушающего контроля, лазерные системы и телевизионные системы.
Существенным недостатком известного подводного робототехнического комплекса [9] является то, что определение координат осуществляется посредством получения информации о количестве оборотов движителей, либо по доплеровскому или вертушечному лагу, а также по информации трехкомпонентного ферромагнитного компаса и гироскопов, расположенных в блоке управления платформы. При этом одним из условий точного определения позиционирования является постоянный контакт движителей колесного типа с поверхностью. В противном случае решение задачи определения координат в предложенном варианте осуществить практически невозможно.
При определении координат посредством получения информации о количестве оборотов движителей при движении платформы по плоскости необходимо учитывать увеличение оборотов движителей, обусловленное неравномерностью движения по рельефной плоскости, а перемещение платформы в водной среде сопряжено с необходимостью учета значительных погрешностей измерения, особенно при изменении зависимости скорости платформы от частоты вращения гребных винтов под действием ветра, поверхностных течений и волнения (надводное положение платформы) и подводных течений (подводное положение платформы) - (Судовые измерители скорости / Хребтов А.А. и др. Л., Судостроение, 1978, с. 11-112 [10]). Точность определения скорости движения и пройденного расстояния платформой (без учета внешних условий) невысока, а соответственно, и последующее определение координат по пройденному расстоянию и курсовым углам, полученным по информации трехкомпонентного ферромагнитного компаса и гироскопов, будет отягощено существенными ошибками, которые будут накапливаться в процессе движения платформы.
При использовании информации от вертушечного лага необходимо выполнять периодический контроль за его работой, так как вертушечные лаги подвержены механическим повреждениям при ударах о плавающие предметы, а также забиваются водорослями (с. 107 [10]).
А с учетом того, что возможность нивелирования набегающей ошибки интегрирования инерциальной системы навигации комплекса может отсутствовать, например, при нахождении платформы в подводном положении, когда прием сигналов от размещаемых внешних источников информации с использованием приемников сигналов систем ГЛОНАСС/GPS и сигналов с источников дифференциальной поправки систем ГЛОНАСС/GPS практически невозможен, то ошибки в определении координат будут возрастать. Использование гидроакустических передатчиков, генерирующих сигнал для распространения в подводном пространстве на требуемых частотах, для осуществления возможности нивелирования набегающей ошибки интегрирования инерциальной системы навигации комплекса, сопряжено с существенными трудозатратами, обусловленными установкой подводных гидроакустических передатчиков и их последующей привязкой к географическим или геодезическим координатам. При наличии накапливающихся погрешностей во время движения точное определение координат местоположения подводной подвижной платформы измерительного комплекса и съемки участков исследуемой поверхности с использованием специализированной программы, установленной на судовом/береговом вычислительном комплексе, практически невозможно осуществить для обеспечения требований, предъявляемых к проведению подводных изыскательских работ.
Кроме того, точность выработки информации об угловом положении платформы и ее курсе по инерциальной системе навигации, в том виде, в котором она приведена в описании прототипа, снижается с повышением широты местоположения проводимых исследований, а также под действием качек и маневрирования платформы, что ограничивает ее использование, несмотря на возможность периодической коррекции параметров ориентации известными методами спутниковой коррекции при всплытии платформы, в частности курса платформы (дальномерный, доплеровский, угломерный, фазовый), т.к. их применение в реальных условиях встречает ряд серьезных, до конца не преодолимых трудностей (Спутниковая коррекция параметров ориентации морских объектов / В.И. Резниченко, П.И. Малеев, М.Ю. Смирнов // Навигация и гидрография, 2008, №27, с. 25-26).
В прототипе основным недостатком инерциальной навигационной системы (ИНС) является накопление навигационной ошибки, величина которой зависит как от инструментальных ошибок измерителей, так и от способов обработки получаемой информации. При этом скорость движения платформы вычисляется интегрированием ускорения и постоянная ошибка ускорения преобразуется в непрерывно нарастающую ошибку скорости. Поэтому необходимо периодически списывать накопленную ИНС погрешность, вводя, в подводном режиме работы платформы, корректирующие поправки к координатам, рассчитанные с помощью гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой (ГАНС-УКБ), в которой для определения координат платформы используется время распространения звукового сигнала между приемопередающей аппаратурой и платформой, ее пеленг и угол места, и которая из-за свойств распространения звука в воде является системой ограниченного радиуса действия, что требует установки по крайней мере не менее трех маяков-ответчиков на соответствующих расстояниях от места выполнения подводных работ, что не всегда может быть обеспечено из-за сложной конфигурации рельефа морского дна.
При использовании ГАНС-УКБ в районе движения платформы должно также находиться обеспечивающее судно, имеющее ГАНС-УКБ (Уточнение координат подводного аппарата в навигационном поле маяков-ответчиков с использованием данных от его инерциальной навигационной системы / Коваленко Ю.А. // Труды международной научно-технической конференции «Навигационно-гидрографическое обеспечение» - НГО-2011.СПб, май 2011. ОАО «ГНИНГИ», с. 74).
В принципе, для уточнения координат платформы при нахождении в подводном положении можно было бы использовать ГАНС с длинной базой (ГАНС-ДБ), которая основана на измерении времени распространения звукового сигнала между приемопередающей аппаратурой и реперными точками, в качестве которых используются маяки-ответчики (МО) с известными координатами. Однако при этом район плавания должен быть подготовлен с помощью МО, которые создают навигационное поле под водой. В алгоритмах, реализованных в ГАНС-ДБ, измеренное время распространения звукового сигнала в воде от антенны передатчика, установленного на платформе, до МО и от МО до антенны приемника, также установленного на платформе, пересчитываются в наклонную дальность между платформой и МО. Для этого время распространения звукового сигнала делят пополам и умножают на скорость распространения звука в воде. При этом точность расчета наклонной дальности зависит от точности знания скорости звука в воде и точности измерения времени распространения звукового сигнала.
Для определения наклонной дальности по половине времени распространения звука в морской воде допустим, что платформа, при использовании ГАНС-ДБ, неподвижна и координаты передающей и приемной антенн не изменяются. Если платформа движется, то за время распространения сигнала от антенны передатчика до МО и от МО и до антенны приемника антенна приемника платформы переместится в пространстве и координаты передающей и приемной антенн изменяться. При этом, чем выше скорость платформы и больше дальность до МО, тем величина отклонений между координатами будет больше, т.е. использование для уточнения координат движущейся платформы дальность, найденную по половине времени распространения звука в морской воде, становится не корректным.
Кроме того, приведенное в описании прототипа [9] утверждение, что «позиционирование по линейным координатам осуществляется инерциально благодаря системе датчиков счисления пути и допплеровскому (либо вертушечному) лагу», не позволяет однозначно судить, посредством какой системы датчиков «инерциально» осуществляют счисление пути и по каким «линейным координатам».
Как известно, счисление пути движущегося в водной среде объекта выполняют посредством измерения курса (магнитный, гироиндукционный компасы) и скорости движения (лаги на различных принципах действия, при этом «доплеровские лаги» подразделяются на гидроакустические и радиодоплеровские, и при этом радиодоплеровские лаги работают при отражении радиолучей от подстилающей поверхности только при нахождении плавательного средства в водоизмещающем положении и при соответствующей высоте установки приемопередающей антенны над подстилающей поверхностью - с. 72-73 [9]).
Положение объекта в пространстве - ориентация объекта, характеризуется совокупностью параметров ориентации. Применительно к рассматриваемому объекту это могут быть углы горизонтальной и азимутальной ориентации объекта, измеряемые в прототипе, «посредством трехкомпонентного ферромагнитного компаса, скомплексированного с волоконно-оптическим гирокомпасом, а также средствами позиционирования по линейным координатам», при этом, что собой представляют «средства позиционирования по линейным координатам», пояснения отсутствуют, что ставит под сомнение получение заявленного технического результата.
Кроме того, наличие одного движителя (согласно формуле прототипа) и ограниченный состав подводных средств навигации не обеспечивают работу платформы в условиях нулевой видимости, турбулентности, в том числе при боковых течениях от 2.5 м/с (5 уз) до 5 м/с, например, при очистке и обследовании состояния подводной части корпуса судна или корабля на ходу и при обследовании затонувших объектов или гидротехники, расположенных на реках и в узкостях.
Задачей предлагаемого технического решения является устранение выявленных недостатков прототипа путем уменьшения навигационных погрешностей и сокращения трудозатрат при производстве подводных работ.
Поставленная задача решается за счет того, что в подводном робототехническом комплексе, содержащем носитель оборудования, движительно-рулевую систему, систему энергообеспечения, навигационную систему, систему средств обнаружения, систему средств связи, балластно-уравнительную систему, вычислительную бортовую систему, судовой/береговой блок управления, информационно-измерительную систему, блок системы управления и опциональный механический манипулятор, при этом носитель оборудования выполнен в виде полой платформы, движительно-рулевая система содержит по меньшей мере один движитель, закрепленный на платформе, система энергообеспечения представляет собой распределительное устройство, расположенное в полости платформы и подключенное с одной стороны к сети электрических проводников, а с другой стороны к питающему электрическому кабелю, балластно-уравнительная система представляет собой набор конструктивных элементов, участвующих в создании плавучести аппарата, близкой к нулевой, вычислительная бортовая система расположена в полости платформы и представляет собой первый промышленный компьютер с установленной операционной системой, обеспечивающей управление всеми системами, входящими в комплекс, а также сбор, сохранение и передачу на внешний пульт управления собранной информации, судовой/береговой блок управления представляет собой второй промышленный компьютер, коммутируемый с подводной частью комплекса посредством энергоинформационного подводного герметичного кабеля, состоящего из информационно-управляющего оптоволокна и силового кабеля, система средств обнаружения аппарата представляет собой совокупность маяков и маяков-ответчиков, установленных на элементах комплекса, навигационная система размещена в полости платформы и представляет собой набор средств для осуществления навигации и позиционирования аппарата, - движительно-рулевая система содержит один движитель с тягой до 100 кГ в вертикальном направлении, а другой движитель выполнен с тягой до 50 кГ в горизонтальном направлении, навигационная система дополнительно содержит малогабаритный гидроакустический доплеровский лаг, измеритель глубины погружения платформы, гидроакустическая навигационная система аппарата выполнена с длинной базой, при позиционировании платформы по углам горизонтальной и азимутальной ориентации по данным спутниковой навигационной системы координаты определяют в топоцентрической и связанной системах координат, при этом малогабаритный гидроакустический доплеровский лаг выполнен с возможностью измерения скорости и угла дрейфа платформы, как от грунта, так и от реверберационных слоев, измеритель глубины погружения платформы содержит четыре приемопередающие гидроакустические антенны, две из которых установлены в носовой и кормовой частях платформы на верхней и соответственно нижней плоскостях платформы, на равных расстояниях друг от друга как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях, гидроакустическая навигационная система аппарата выполнена с длинной базой, при этом позиционирование платформы осуществляется путем одновременных измерений расстояний до маяка-ответчика по первым разностям одновременных измерений двумя гидроакустическими приемниками, установленными в носовой и кормовой частях аппарата, блок управления платформой содержит прецизионную систему движения, выполненную в виде координаты линейной, реализованной на основе синхронного линейного двигателя.
Отличительными особенностями предлагаемого технического решения является то, что движительно-рулевая система содержит один движитель с тягой до 100 кГ в вертикальном направлении, а другой движитель выполнен с тягой до 50 кГ в горизонтальном направлении, навигационная система дополнительно содержит малогабаритный гидроакустический доплеровский лаг, измеритель глубины погружения платформы, гидроакустическая навигационная система аппарата выполнена с длинной базой, при позиционировании платформы по углам горизонтальной и азимутальной ориентации по данным спутниковой навигационной системы координаты определяют в топоцентрической и связанной системах координат, малогабаритный гидроакустический доплеровский лаг выполнен с возможностью измерения скорости и угла дрейфа платформы как от грунта, так и от реверберационных слоев, измеритель глубины погружения платформы содержит четыре приемопередающие гидроакустические антенны, две из которых установлены в носовой и кормовой частях платформы на верхней и соответственно нижней плоскостях платформы, на равных расстояниях друг от друга как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях, гидроакустическая навигационная система аппарата выполнена с длинной базой, при этом позиционирование платформы осуществляется путем одновременных измерений расстояний до маяка-ответчика по первым разностям одновременных измерений двумя гидроакустическими приемниками, установленными в носовой и кормовой частях аппарата, блок управления платформой содержит прецизионную систему движения, выполненную в виде координаты линейной, реализованной на основе синхронного линейного двигателя.
Конструкция платформы и отдельное оборудование, используемые в заявляемом техническом решении, могут быть выполнены, как и в прототипе [9].
Платформа является жестким, предпочтительно, составным корпусным элементом, несущим на себе все остальные структурные узлы. Платформа является полой, собирается из нескольких частей для возможности расположения во внутренней ее части других элементов.
Движительно-рулевой комплекс может быть также представлен двумя типами движителей - колесным и винтовым, который располагается в верхней части конструкции в кавитационной неповоротной насадке, прикрепленной к платформе на вертикально расположенных кронштейнах для увеличения расстояния между винтовой плоскостью и плоскостью верхней части платформы. Сам движитель является двигателем (то есть кавитационная насадка играет роль статора). Это ротор-статорный двигатель (типа RIM-Driven). Устройство может иметь еще несколько (предпочтительно три) двигателей в задней части платформы, расположенных под углом друг к другу, для осуществления маневрирования при подходе к точке в подводном режиме. В отличие от прототипа [9] первый движитель выполнен с тягой до 50 кГ в горизонтальном направлении, а второй движитель с тягой до 100 кГ в вертикальном направлении, что обеспечивает движение платформы в условиях вихревых потоков, образующихся вокруг конструктивных элементов исследуемых подводных конструкций.
Система энергообеспечения представляет собой распределительное устройство (типа «краб») и развитую, питающую все системы сеть проводников, расходящуюся от него. 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. Косвенно к элементам можно отнести движители-колеса, имеющие положительную плавучесть, возможно регулируемую.
Вычислительная бортовая система (ВБС) расположена в полости платформы-носителя в прочном гидростатическом сферическом герметичном корпусе и представляет собой, по сути, одноплатный промышленный компьютер с установленной операционной системой реального времени и бортовым программным обеспечением, где выполняется в замкнутом цикле программа управления движением и выполнением автоматических действий робота.
Судовой/береговой блок управления 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 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 осуществления аварийных работ в условиях плохой видимости и поиска аппарата в ЧС.
Навигационный комплекс расположен в полости аппарата и представляет собой набор технических средств навигации для осуществления навигации и позиционирования аппарата.
Непосредственно в качестве средств навигации и ориентации на платформе установлены гироазимут - горизонт - компас (ГАГК) для определения курса движения, а также углов горизонтальной и азимутальной ориентации платформы, гидроакустический доплеровский лаг (ГАДЛ) для измерения скорости движения и угла дрейфа платформы относительно дна или реверберационных слоев, многолучевой эхолот для измерения глубины под килем и глубины погружения платформы, антенна и приемник спутниковой навигационной системы GPS/ГЛОНАСС для определения координат места при нахождении платформы в надводном положении, гидроакустическую навигационную систему с длинной базой для определения координат при нахождении платформы в подводном положении.
На платформе также установлены тензометрические датчики линейных и угловых скоростей и ускорений, вырабатываемая информация которых может быть использована для позиционирования платформы при свободных перемещениях платформы, а также при движении непосредственно по объекту исследований, а также прецизионная система движения в виде координаты линейной типа ALP1000, которая реализована на основе синхронного линейного двигателя и линейного датчика положения, встроенного в координату (http://aramis.com.ua/motion-alp.html).
Комплекс средств связи представляет собой антенну GPS/ГЛОНАСС, гидроакустическую приемную антенну с длинной базой и маяк-ответчик, а также радиомодем и спутниковый модем.
При этом в отличие от прототипа, в котором используются «трехкомпонентный ферромагнитный компас, комплексированный с волоконно-оптическим гирокомпасом, а позиционирование по линейным координатам осуществляется инерциально благодаря системе датчиков счисления пути и допплеровскому (либо вертушечному) лагу, а также используя сетку координат, заданную по GPS/ГЛОНАСС, или используя систему подводной навигации в исполнении ГАНС - УКБ, в котором навигационный комплекс тесно связан и зависит от комплекса средств связи», в предлагаемом техническом решении основу навигационного комплекса составляют автономные технические средства навигации, а информации от ГАНС с длинной базой и СНС используют для корректуры счислимых координат.
Указанные устройства располагаются на крышке платформы-носителя на мидельной плоскости аппарата.
Информационно-измерительный комплекс является основной информационной системой устройства. Он может содержать, как и в прототипе [9]: средства NDT (неразрушающего контроля), акустические системы, эхолоты (однолучевой, многолучевой) с различными частотными диапазонами, инструментарий фиксированного мониторинга, кувалду Шмидта, магнитный локатор арматуры, ультразвуковую систему для бетонных элементов, ультразвуковую систему определения толщины металла, подводную систему частичного магнитного тестирования (UWMT), радиографические системы (гамма- и рентген-излучений), системы вибродинамического исследования, инспекционный инструментарий, лазерные системы, стереотелевизионные системы, гидроакустические системы, фото-, видеосистемы, пробоотборники, систему анализа потенциала катодной защиты.
Датчики ультразвукового обследования располагаются массивом в межколесном пространстве или на дополнительной выносной платформе на прижимном механизме для осуществления плотного контакта с поверхностью при дискретном движении устройства (либо каткообразный массив датчиков для перманентного недискретного движения устройства).
Датчики могут располагаться на дополнительном манипуляторном устройстве на поворотной основе (располагается на кронштейнах кавитационной насадки винтового движителя) для осуществления работ в труднодоступных участках при обследовании геометрически сложных участков исследуемой поверхности подводной и надводной инфраструктуры.
3
Чувствительность устанавливаемых на борт измерительных датчиков должна быть достаточна для обнаружения в бетонах пустот объемом порядка как минимум 30 см на глубинах до 300 мм или протяженных пустотных дефектов диаметром 15-20 мм на глубинах до 500 мм.
Комплекс может дополнительно содержать систему обследования протяженных и площадных подводных участков объектов инфраструктуры, содержащую размещенное на борту подвижного объекта вычислительное устройство, выполненное с возможностью подключения к каналам передачи информации. Это делает возможным определять дистанционно с пульта оператора аномалии и дефекты, а также системно и всецело их обследовать.
Обследовательский комплекс может также дополнительно содержать контактно-очистительную систему типа циркулярной щетки и бесконтактную кавитационную гидропушку, а также средства механической обработки: циркулярную пилу, шлифовальный круг и прочие известные механические или электромеханические устройства.
Предлагаемая система отличается от известных прежде всего вариантностью исполнения основных маршевых и прижимных движителей (возможностью реализации колесного и гусеничного хода, а также с винтовым или электромагнитным бесконтактным прижимом).
Предлагаемая система обследования работает следующим образом. Подвижная платформа оснащена двумя типами движительных устройств, обеспечивающих ее перемещение в пространстве по трем степеням свободы при движении по плоскости. Поступательное движение платформы вперед и реверсивное движение измерительного комплекса, а также движение платформы в стороны и поворот ее вокруг вертикальной собственной оси по углу курса обеспечивают спаренные между собой по бортам движители колесного типа (либо гусеничные траки, опирающиеся, помимо ведущего колеса-звезды, на ведомые поддерживающие ролики на плавающем креплении, для обеспечения плавности хода и возможности огибания неровностей), выполненные из жесткого либо упругого с шиловидной насечкой (в зависимости от степени обрастания биотой поверхности), устойчивого к коррозии и истиранию материала. Движители участвуют в создании плавучести и являются важным элементом конструкции. Опционально имеют шипы противоскольжения для создания хорошего сцепления со скользкой, обросшей биотой поверхностью. Момент на каждый из движителей передается от герметичных двигательных блоков посредством магнитной муфты. В зависимости от показаний гироскопических датчиков гидравлические или электромеханические приводы изменяют расстояния от днища платформы до поверхности основы, по которой перемещается платформа, с целью увеличения проходимости всего устройства. Движитель винтового типа, основанный на использовании двигателя типа RIM-Driven (статор-роторный двигатель) и расположенный в центре корпуса, обеспечивает позиционирование системы по третьей степени свободы вдоль собственной вертикальной оси, по сути, прижимая ее к исследуемой поверхности, путем создания упора Р, выбрасываемой струей забортной воды через сопла. Таким образом, комплекс, находясь под водой, имеет возможность перемещаться по различным неметаллическим поверхностям, в том числе вертикальным и наклонным, по различным траекториям (например, галсами), поступательно изменять направление на 90 градусов без осуществления поворота, разворачиваться на месте и преодолевать возникшие на пути препятствия. При движении не по поверхности, а в толще воды (в режиме выхода в точку обследования) аппарат может управляться, маневрируя по шести координатам, применяя для этого установленные бортовые движители. На борту платформы также расположены в нижней его части информационно-измерительный комплекс и блок системы управления в прочном корпусе.
Помимо этих систем, на легком безынерциальном манипуляторе также установлены:
- датчики системы неразрушающего контроля для анализа труднодоступных поверхностей (донная часть гидротехнической инфраструктуры, основания, зоны контакта с дном);
- возможно размещение механических средств для проведения технических работ (циркулярной пилы, схвата, шлифовальных кругов и прочих известных механических устройств) для выполнения сложных подводных задач без привлечения аквалангистов;
- другие типы и виды систем, в зависимости от поставленной технической задачи.
На дополнительной выносной раме могут быть расположены лазерные сенсоры для предварительного обмера очищенной 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 и/или на опциональном механическом манипуляторе.
Акустическая ультразвуковая система обследования представляет собой массив ультразвуковых подводных датчиков, расположенных независимо друг от друга на подвижном прижимном основании (лепестковым или пружинном) для обеспечения функционирования комплекса в условиях сложной геометрии обследуемой поверхности.
Подвижное упругое независимое основание датчиков обеспечивает плотный контакт защищенных неподверженным истиранию материалом датчиков с поверхностью, массив которых располагается в нише между разнесенной колесной базой для возможности пропуска встречных препятствий и неровностей.
Опционально предусматривается замена или дополнение измерительного бортового оборудования и размещение на платформе контактного и бесконтактного очистительного оборудования поверхности типа циркулярной щетки и кавитационной гидропушки, исполненных в едином блоке с собственным приводом и редукторной передачей для возможности обследования загрязненного (обросшего органическими отложениями, заиленного) объекта с предварительной его очисткой. Вся подводная подвижная часть робототехнического комплекса имеет нулевую (нейтральную) плавучесть путем применения синтактика для ее регулирования.
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, потреблении энергии, состоянии блоков и информация с информационно-измерительного комплекса. Эта информация представляет собой непрерывное видеоизображение с подводных телекамер с возможностью визуализации профилограммы и ультразвуковых картин с отображением дефектов, визуализация метаданных с лазерных систем. Эта информация может в реальном времени накладываться на предзагруженную карту протяженного подводного объекта. Сохранение, архивация и документирование происходит автоматически в блоке.
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 соответствующих материалов оплетки.
Определение счислимых координат осуществляется посредством получения информации о пройденном расстоянии, посредством измерителя скорости (ГАДЛ) при движении платформы в водной среде и по информации трехкомпонентного ферромагнитного компаса и гироскопов, расположенных в блоке управления платформы, а обсервованных координат - по данным средств коррекции (приемник сигналов ГЛОНАСС/GPS в стационарном и дифференциальном режимах, а также приемопередатчиков ГАНС).
При движении платформы непосредственно по исследуемой подводной конструкции координаты (высотно-плановые) определяются по количеству оборотов движителей (тахометрические измерители скорости) и по данным прецизионной системы движения (линейная координата ALP1000 и тензометрических датчиков линейных и угловых скоростей и ускорений).
Гидроакустическая навигационная система аппарата выполнена с длинной базой, при этом маяк-ответчик установлен на неподвижном основании с известными координатами, при позиционировании платформы по углам горизонтальной и азимутальной ориентации по данным спутниковой навигационной системы координаты определяют в топоцентрической и связанной системах координат. Гидроакустическая навигационная система аппарата выполнена с длинной базой и содержит один маяк-ответчик, установленный на неподвижном основании, с известными географическими координатами, при этом позиционирование платформы осуществляется путем одновременных измерений расстояний до маяка-ответчика по первым разностям одновременных измерений двумя гидроакустическими приемниками, установленными в носовой и кормовой частях аппарата.
В случае размещаемых внешних источников информации: приемников сигналов ГЛОНАСС/GPS и сигналов с источников дифференциальной поправки, а также передатчиков, генерирующих сигнал для распространения в подводном пространстве на требуемых частотах, осуществляется возможность нивелирования набегающей ошибки интегрирования инерциальной системы навигации комплекса, а точное определение координат местоположения подводной подвижной платформы измерительного комплекса и съемки участков исследуемой поверхности определяется специализированной программой, установленной на судовом/береговом вычислительном комплексе.
Измеритель глубины погружения платформы содержит четыре приемопередающие гидроакустические антенны, две из которых установлены в носовой и кормовой частях платформы на верхней и соответственно нижней плоскостях платформы, на равных расстояниях друг от друга как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях, что позволяет определять расстояния до дна от платформы, а также до водной поверхности, что обеспечивает управление движением платформы не только по скорости и курсовому углу, но и по глубине погружения платформы. Кроме того, при проходе платформы над характерными точками с известными координатами (реперными точками, установленными по результатам предварительной батиметрической съемки) позиционирование может также осуществляться по данным измерителя глубины.
Оператор при помощи берегового/судового блока управления осуществляет навигацию подвижной подводной платформы по интересующему участку исследуемого объекта, получая необходимую визуальную информацию на дисплее.
Предусмотрена возможность установки дополнительной емкости со втягивающе-винтовой системой в центре платформы для обеспечения фильтрации и дальнейшего протока воды через систему грубых и/или тонких фильтров.
Работа может выполняться в ручном, автоматизированном и полностью автоматическом режиме (при обследовании больших площадей).
Использование предлагаемой системы позволяет однозначно определить местонахождение проблемных участков подводной части инфраструктуры, тщательно ее исследовать визуальными, лазерными, акустическими и другими средствами и осуществить зачистку поверхности без применения водолазных расчетов с риском для жизни и здоровья.
Области применения изобретения: подводные части морских и речных объектов судовой, гидротехнической и нефтегазопромысловой инфраструктуры берегового и морского базирования, в том числе: корпуса судов, причальные стенки, плотины, трубопроводы, подводные части корпусов плавучих полупогружных буровых установок и погружных нефтегазодобывающих платформ и др.
Источники информации
1. Бортовые вычислительные сети // Современные технологии автоматизации, №2, 2005, с. 68-74.
2. Применение ОС QNX в подводной робототехнике // Современные технологии автоматизации, №3, 2000, с. 66-71.
3. Информационно-управляющая система необитаемого подводного аппарата // Современные технологии автоматизации, №2, 1997, с. 46-49.
4. Патент RU №2387570 С1, 27.04.2010.
5. Патент US №3559607.
6. Заявка FR №2046690.
7. Подводная техника морских нефтепромыслов. - Л.: Судостроение, 1980, с. 116-118.
8. Патент на полезную модель RU №102350 UI, 27.02.2011.
9. Патент RU №2446983 CI, 10.04.2012.