КОМПЛЕКС ТЕЛЕУПРАВЛЯЕМОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА "НЕРЕЙ-350"

Техническое решение относится к конструктивному выполнению оборудования судов, предназначенных для специальных целей и включающих устройства для обнаружения объектов под водой, и может быть использовано для подводных поисковых и осмотровых работ, для гидрографических и экологических исследований, для контроля подводных инженерных сооружений и инспектирования трубопроводов, а также для проведения совместных работ с водолазами.
Подводные аппараты (ПА), как автономные, так и управляемые дистанционно по кабель-тросу с пульта, расположенного на обеспечивающем судне, как правило, оснащаются [9-11] фототелевизионными системами, которые традиционно включают телекамеру, светильники, устройства стабилизации глубины и устройства навигации. В дистанционно управляемых (телеуправляемых) ПА подача электропитания с обеспечивающего судна на ПА и передача информации с ПА на судно осуществляются по кабель-тросу.
В последнее время запатентованы: подводные телеуправляемые аппараты [7, 8], подводный фотосъемочный автономный комплекс [6], комплекс [5] для выполнения подводно-технических работ, подводный осмотровый аппарат [4], телеуправляемый подводный аппарат [3], подводный видеорегистратор [2], глубоководный фототелевизионный комплекс [1].
Однако, в большинстве известных устройств [2-8] описаны только конструктивные особенности самих ПА, а структура и работа бортовой части комплекса не рассматриваются. При этом в известных устройствах [2-8] светильники и телекамеры размещаются в раздельных блоках, что снижает эксплуатационную надежность ПА, увеличивает вес аппаратуры и усложняет конструкцию из-за наличия множественных кабельных связей между узлами ПА. Кроме того, существующие ПА, в ряде случаев, требуют конструктивной доработки, особенно в части схемы установки движителей, а также в части компановки узлов аппаратуры, что необходимо для удовлетворения повышенных требований сегодняшнего дня.
Так, известный телеуправляемый ПА [3] решает только узкую специфическую задачу по управлению подмоткой кабель-троса, а подводный видеорегистратор [2] рассматривает возможность регистрации всей получаемой информации на ПА, без передачи данных на бортовую часть.
Взаимодействие бортовой и подводной частей реализуется в подводном телевизионном комплексе [1], который принят за прототип.
Комплекс подводного аппарата [1] содержит установленную на обеспечивающем судне бортовую часть (БЧ), соединенную кабель-тросом с забортной подводной частью (ПЧ) и включающую пульт управления и отображения информации, блок приемных антенн системы подводной навигации с опускной штангой и спуско-подъемное устройство в виде кабельной вьюшки с токосъемником, а ПЧ оснащена телекамерой, источниками освещения и маяком-ответчиком системы подводной навигации.
Однако, специфика глубоководного буксируемого фототелевизионного комплекса [1] не позволяет использовать его в качестве телеуправляемого подводного аппарата ввиду отсутствия дистанционно управляемых движителей, которые бы обеспечили перемещение ПА в подводном пространстве в различных направлениях. Кроме ограниченной маневренности к недостаткам устройства [1] следует отнести, как и у других известных аналогов, размещение телекамеры и светильников в раздельных блоках, что усложняет конструкцию, увеличивает ее вес и габариты и соответственно снижает эксплуатационную надежность.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании такого комплекса телеуправляемого подводного аппарата (ТПА), который при сохранении достоинств известных устройств позволил бы реализовать более рациональную конструкцию с расширением функциональных возможностей путем использования адекватной технологической базы, обеспечивающей сочетание простоты управления с широким диапазоном решаемых комплексом ТПА задач.
Основной технический результат комплекса ТПА «Нерей-350» (специальное название) - расширение функциональных возможностей за счет синергии увеличения маневренности, повышения эксплуатационной надежности и реализации оптимальной компоновки движителей и светильников при рациональной модульной технологии как подводной, так и бортовой частей комплекса. Снижение веса и габаритов аппаратуры в совокупности с простотой управления позволяет использовать комплекс ТПА «Нерей-350» для широкого круга задач: от гидрографических съемок и обследования морского дна до инспекционных осмотров трубопроводов и работы с манипулятором для захвата подводных объектов на глубинах до 350 м.
Технический результат достигается следующим образом.
Комплекс телеуправляемого подводного аппарата (ТПА) содержит установленную на обеспечивающем судне бортовую часть (БЧ), соединенную кабель-тросом с забортной подводной частью (ПЧ) и включающую пульт управления и отображения информации, блок приемных антенн системы подводной навигации с опускной штангой и спускоподъемноеустройство в виде кабельной вьюшки с токосъемником, а ПЧ оснащена телекамерой, источниками освещения и маяком-ответчиком системы подводной навигации.
Отличительной особенностью комплекса является то, что пульт управления и отображения информации выполнен в виде модуля, конструктивно размещенного в пластиковом кожухе-кейсе, который имеет контактор общего включения питания и разъемы подключения кабелей связи с кабельной вьюшкой, с блоком приемных антенн системы подводной навигации и с джойстиком управления ПЧ. Забортная подводная часть ПЧ комплекса выполнена в виде модуля ТПА, который включает несущую раму с блоком плавучести, а также закрепленные на несущей раме бокс силовой электроники, бокс датчиков, оптический бокс, два кормовых маршевых винтовых движителя, два поперечных винтовых движителя, головку гидролокатора кругового обзора, маяк-ответчик системы подводной навигации и одностепенной манипулятор-схват, причем оптический бокс выполнен в виде единого корпуса для телекамеры и источников освещения и снабжен поворотным устройством для установки угла обзора телекамеры, а два поперечных винтовых движителя установлены по V-образной схеме с возможностью одновременного выполнения функций вертикальных и лаговых движителей. При этом входящие в модуль ТПА боксы и устройства соединены герметичными кабелями, снабженными герморазъемами для обеспечения электрических связей между ними.
Комплекс ТПА отличается также тем, что размещенный в БЧ комплекса модуль пульта управления и отображения информации включает следующие электронные блоки, соединенные между собой электрическими кабелями для обеспечения питания и информационно-управляющих связей: систему электропитания, компьютер управления, отображения и записи информации, сервер интерфейсов, блок обработки данных системы подводной навигации, основной монитор отображения информации ТПА, вспомогательный монитор отображения данных гидролокатора кругового обзора и системы подводной навигации, блок бесперебойного питания (UPS), кабельный модем связи, усилитель-видеокорректор, фильтр питания с платой управления и защиты от перегрузки, блок служебного питания и джойстик. При этом компьютер управления, отображения и записи информации с соответствующим программным обеспечением выполнен на базе промышленного компьютера PC блочного исполнения, основной монитор выполнен с возможностью отображения видеоинформации от телекамеры модуля ТПА, а также информации состояния блоков ТПА в графическом отображении в режиме наложения на видеокартинку, вспомогательный монитор выполнен с возможностью отображения совокупной информации от гидролокатора кругового обзора и системы подводной навигации.
При этом в качестве гидролокатора кругового обзора использована аппаратура "Micron", в качестве системы подводной навигации - аппаратура "MicroNav" фирмы "Tritich", а в качестве сервера интерфейсов использован сервер типа SE 5300, преобразующий поток данных типа Ethernet от ТПА в ряд коммуникационных интерфейсов типа RS-232/485.
Отличием комплекса также является то, что бокс силовой электроники выполнен в виде герметичного цилиндрического корпуса с крышками и содержит внутри электронный блок, включающий плату входного фильтра с узлом защиты от перенапряжений, плату конвертора напряжения, плату фильтра питания движителей, четыре платы управления движителями, а также датчик затекания воды внутрь корпуса, при этом крышки бокса, закрепленные на корпусе хомутами, снабжены резиновыми уплотнительными кольцами, а верхняя крышка имеет герморазъемы для обеспечения электрических связей со всеми блоками ТПА.
Кроме того, комплекс отличается тем, что оптический бокс, выполненный в виде единого герметичного цилиндрического корпуса с крышками, содержит три разделенных металлическими вставками кольцевых иллюминатора: средний - для телекамеры, боковые - для источников освещения, которые представляют собой светодиодные светильники, внутри оптического бокса размещен блок электроники, включающий телекамеру с широкоугольным объективом, плату телекамеры, контроллер управления, плату преобразования интерфейсов, кабельный модем связи, плату питания, плату светильников, два светодиодных светильника с вентиляторами охлаждения, плату управления поворотным устройством и манипулятором, плату согласования сигналов управления движителями, плату обработки сигналов датчиков курса, крена, дифферента и датчика давления, поворотное устройство с датчиком обратной связи и датчик затекания воды внутрь бокса, соединенные между собой для обеспечения соответствующих информационно-управляющих связей, при этом крышки бокса, закрепленные на корпусе хомутами, снабжены резиновыми уплотнительными кольцами, одна из крышек бокса имеет герморазъемы для обеспечения электрических связей с боксом силовой электроники, с боксом датчиков, с головкой гидролокатора кругового обзора и с маяком-ответчиком, а также для обеспечения взаимодействия подводной и бортовой частей комплекса ТПА посредством кабельных модемов связи ПЧ и БЧ.
При этом блок электроники в оптическом боксе, телекамера и светильники закреплены на металлическом основании, которое выполнено с возможностью поворота на заданный угол посредством поворотного устройства, определяемый пультом управления БЧ в соответствии с программой работ ТПА.
Конструктивно бокс датчиков комплекса ТПА выполнен в виде герметичного цилиндрического корпуса с крышками, сориентированного осью с вертикальной осью ТПА, и содержит внутри датчик глубины на базе тензометрического датчика давления, плату обработки сигналов тензопреобразователя, датчик магнитного курса, крена и дифферента, при этом крышки бокса, закрепленные на корпусе хомутами, снабжены резиновыми уплотнительными кольцами, а верхняя крышка имеет герморазъем для обеспечения связи с платой обработки сигналов датчиков, размещенной в оптическом боксе ТПА.
В комплексе ТПА в качестве винтовых движителей использованы движители типа «винт в насадке», причем два поперечных винтовых движителя установлены по V-образной схеме и размещены под углом 40÷50° к диаметральной плоскости ТПА с возможностью выполнения функций вертикальных и поперечных (лаговых) подруливающих устройств.
Особенность комплекса заключается также в том, что несущая рама ТПА представляет собой сварную пространственную конструкцию, выполненную из труб круглого сечения из нержавеющей стали и снабженную кронштейнами и ложементами, на которых посредством ленточных хомутов или резьбовых соединений закреплены герметичные боксы с аппаратурой и другое оборудование ТПА, при этом верхняя часть рамы оснащена блоком плавучести, обеспечивающим нулевую плавучесть ТПА и выполненным из прочного пенопласта, например марки ПС-350, а также траверсой для крепления силовой заделки кабель-троса связи ПЧ с БЧ ТПА.
Манипулятор-схват, представляющий одностепенной манипулятор в виде «клешни», установлен в передней части ТПА в зоне обзора телекамеры и имеет устройство крепления для предварительной установки в заданное положение.
Источники освещения представляют собой светильники, состоящие из радиатора охлажения, на котором закреплен 21 светодиод, при этом для обеспечения дополнительного охлаждения в нижней части радиатора закреплен вентилятор, создающий принудительный обдув светодиодов.
При этом кожух-кейс с размещенным внутри модулем пульта управления и отображения информации снабжен дополнительным разъемом для подключения судовой аппаратуры спутниковой системы навигации GPS и/или «ГЛОНАСС», обеспечивающей координирование БЧ и ПЧ, синхронизацию работы блоков ТПА в реальном времени и соответствующую оцифровку выходной информации комплекса ТПА.
В конкретном случае выполнения комплекса размещенный в БЧ комплекса модуль управления и отображения информации выполнен с возможностью контроля исправности работы всех блоков и устройств комплекса ТПА и с возможностью записи на внешние жесткие диски видеоизображений телекамеры и других данных ТПА для дальнейшей постобработки информации и идентификации подводных объектов.
Кроме того, особенностью комплекса является то, что джойстик управления ПЧ, размещенный в модуле управления и отображения информации, выполнен с возможностью управления маршевыми и поперечными винтовыми движителями в двух режимах: в первом (трехпозиционном) режиме формируются сигналы управления «вперед/назад», «лаг влево/вправо» и «разворот влево/вправо», во втором режиме формируются сигналы управления «вверх/вниз», при этом для управления ТПА джойстик снабжен потенциометром, регулирующим мощность движителей при максимальном отклонении рукояток джойстика.
В частном случае комплекс выполнен с возможностью проведения работ ТПА с максимальной глубиной его погружения 350 м, длина соединяющего БЧ и ПЧ ТПА кабель-троса составляет не менее 400 м, при этом масса ТПА не превышает 45 кг при габаритах 500х400х400 мм, масса пульта управления не превышает 60 кг при габаритах 700х740х910 мм.
На фиг.1 и 2 представлены соответственно общие конструктивные схемы подводной и бортовой частей комплекса ТПА, на фиг.3 и 4 приведены структурные схемы ПЧ и БЧ комплекса ТПА «Нерей-350».
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - бортовая часть (БЧ);
2 - соединительный кабель-трос;
3 - подводная часть (ПЧ);
4 - пульт управления и отображения информации;
5 - блок приемных антенн системы подводной навигации;
6 - кабельная вьюшка;
7 - джойстик;
8 - несущая рама с блоком плавучести;
9 -бокс силовой электроники;
10 - бокс датчиков;
11 - оптический бокс;
12, 13 - маршевые винтовые движители;
14, 15 - поперечные винтовые движители;
16 - головка гидролокатора кругового обзора;
17 - маяк-ответчик;
18 - манипулятор-схват;
19 - телекамера;
20, 21 источники освещения (светодиодные светильники);
22 - поворотное устройство
23 - плата телекамеры
24 - контроллер управления;
25 - плата преобразования (сервер) интерфейсов;
26 - кабельный модем связи;
27 - плата питания;
28 - плата управления светильниками;
29 - плата управления поворотным устройством и манипулятором;
30 - плата согласования сигналов управления движителями;
31 - плата обработки сигналов датчиков курса, крена, дифферента и датчика давления;
32 - датчик затекания воды внутрь бокса;
33 - плата входного фильтра с узлом защиты от перенапряжений;
34 - плата конвертора напряжения;
35 - плата фильтра питания движителей;
36 - четыре платы управления движителями;
37 - датчик затекания воды внутрь корпуса;
38 - система электропитания;
39 - компьютер управления, отображения и записи информации;
40 - сервер интерфейсов;
41 - блок обработки данных системы подводной навигации;
42 - основной монитор отображения информации ТПА;
43 - вспомогательный монитор отображения данных гидролокатора кругового обзора и системы подводной навигации;
44 - блок бесперебойного питания (UPS);
45 - кабельный модем связи;
46 - усилитель-видеокорректор;
47 - фильтр управления с платой управления и защиты от перегрузки;
48 - блок служебного питания.
Работа комплекса заключается в следующем.
После спуска ПЧ комплекса ТПА в воду с помощью кабельной вьюшки 6, установки блока 5 приемных антенн системы подводной навигации, включения пульта 4 управления БЧ 1 и подачи через фильтр 47 питания на ПЧ 3 посредством кабель-троса 2 устанавливается связь между БЧ 1 и ПЧ 3. При этом на мониторах 42 и 43 пульта 4 отображается следующая информация: видеосигнал от телекамеры 19, данные гидролокатора кругового обзора и системы подводной навигации, данные датчиков глубины, курса, крена и дифферента, данные о состоянии составных блоков ТПА. С помощью джойстика 7 управления подаются команды дистанционного управления на подводные движители 12-15. При этом регулировкой направления и скорости вращения маршевых движителей 12 и 13 задается скорость движения ТПА «вперед-назад» и «разворот». Поскольку два поперечных винтовых движителя 14 и 15 установлены по V-образной схеме с возможностью выполнения функций вертикальных и лаговых движителей, то регулировкой направления и скорости вращения поперечных движителей 14 и 15 задается скорость движения ТПА «вверх-вниз», а также движения лагом («влево-вправо»), В зависимости от условий работы может быть отрегулирован необходимый уровень сигналов дистанционного управления движителями 12-15. Для обеспечения заданного движения ТПА в воде травится или выбирается кабель 2 связи на кабельную вьюшку 6. Посредством пульта 4 направление обзора телекамеры 19 можно изменять с помощью поворотного устройства 22. Для обеспечения нормального видеоизображения с пульта 4 задается необходимая яркость светильников 20 и 21.
Направление обзора телекамеры 19 можно изменять с помощью поворотного устройства 22. Для обеспечения нормального видеоизображения с пульта 4 задается необходимая яркость светильников 20 и 21. Для поиска подводных объектов и определения местоположения ТПА используется гидролокатор кругового обзора 16 и маяк-ответчик 17, позволяющий посредством блока 41 обработки данных определить текущее местоположение ТПА относительно обеспечивающего судна и относительные дистанции до подводных объектов. В случае необходимости может быть произведен захват небольшого подводного объекта с помощью манипулятора-схата 18 (манипулятора типа «клешня») и доставка его на поверхность. При выполнении осмотровых работ может быть произведена запись необходимой информации на жесткий диск компьютера 39 пульта 4 управления, а после окончания работ - перезапись информации на DVD-носитель.
Система 38 электропитания предназначена для обеспечения электрической энергией ТПА. Компьютер 39 с соответствующим программным обеспечением служит для управления работой всего комплекса ТПА и отображения информации на мониторах 42 и 43. Блок 44 бесперебойного питания обеспечивает работу компьютера 39 в случае кратковременных сбоев основного электропитания от судового генератора. Усилитель-видеокорректор 46 предназначен для усиления и корректировки видеосигнала, поступающего от телекамеры 19 через коаксиальную пару кабеля 2 связи, при этом коррекция видеосигнала производится как по частоте, так и по уровню сигнала. Кабельный модем 45 типа AT MC-601/602 обеспечивает передачу всей телеметрической информации от составных блоков ПЧ 3 через витую пару кабеля 2 связи. Сервер 40 интерфейсов типа SE 5300 предназначен для преобразования общего потока данных типа Ethernet от ТПА в ряд коммуникационных интерфейсов типа RS-232/485 и дальнейшей раздачи приемным блокам БЧ 1. Фильтр 47 питания обеспечивает фильтрацию выходного напряжения системы 38 электропитания с целью уменьшения электрических помех и формирование сигналов управления. Блок 48 служебного питания преобразует входное напряжение 220 В, 50 Гц в постоянное напряжение 24 В для формирования служебного питания.
Джойстик 7 управления формирует сигналы управления составными частями комплекса: маршевыми движителями 12 и 13, поперечными движителями 14 и 15, светильниками 20 и 21, поворотным устройством 22, манипулятором 18, системой 38 электропитания, а также записью информации. Кабельная вьюшка 6 служит для хранения, а также выборки/травления кабеля 2 связи БЧ 1 с ПЧ 3.
Работа модуля ТПА (ПЧ 3), включающего несущую раму 8 с блоком плавучести и закрепленные на ней боксы 9, 10 и 11, винтовые движители 12-15, головку 16 гидролокатора, маяк-ответчик 17 и манипулятор 18, характеризуется также следующими операциями.
В боксе 9 силовой электроники ПЧ 3 комплекса ТПА плата 33 входного фильтра служит для фильтрации основного питания и уменьшения уровня помех в кабеле 2 связи и защиты основных силовых потребителей ТПА во избежание их выхода из строя в случае повышения уровня напряжения на входе ТПА свыше 350 В. Плата 34 конвертора напряжения преобразует основное питание 300 В в напряжение 24 В для питания составных частей ТПА. Плата 35 фильтра питания движителей обеспечивает уменьшение уровня помех от систем управления движителями ТПА и исключение их взаимного влияния. Платы 36 управления (4 шт.) движителями 12-15 формируют напряжение 12 В сервисного питания системы управления движителями, а также осуществляют гальваническую развязку сигналов управления движителями от контроллера 24 управления.
В отическом боксе 11 плата 23 телекамеры служит для обеспечения телекамеры 19 электропитанием 12 В и предварительного усиления видеосигнала для передачи через кабель 2 связи на вход усилителя-видеокорректора 46 пульта 4 управления в БЧ 1. Плата контроллера 24 обеспечивает прием команд и сигналов управления составными блоками ТПА и передачу сигналов телеизмерений от ТПА. Плата 25 преобразования (сервер) интерфейсов служит для объединения данных контроллера 24 управления, датчика глубины, датчика курса, крена и дифферента, размещенных в блоке 10 датчиков, а также гидролокатора 16 кругового обзора в единый информационный поток типа Ethernet для передачи с помощью кабельного модема 26 через соединительный кабель 2 связи на вход кабельного модема 45 пульта управления и отображения информации. Плата 27 питания формирует два напряжения 12 В для электропитания платы 25 сервера и модема 26 связи, а также напряжение питания вентиляторов охлаждения светильников 20 и 21. Плата 28 светильников служит для включения, а также регулировки яркости светильников 20 и 21 по сигналу от платы 24 контроллера. Плата 29 служит для управления поворотным устройством 22 и манипулятором 18 по сигналам управления, поступающим от платы 24 контроллера. Плата 30 формирует сигналы управления движителями 12-15 по командам с платы 24 контроллера. Плата 21 служит для пеобразования сигнала датчика давления от бокса 10 датчиков по токовой петле 4-20 мА в аналоговый сигнал 0-5 В, а также формирует питание для датчика курса, крена и дифферента. Поворотное устройство 22 служит для создания угла наклона металлического основания, а соответственно телекамеры 19 и светильников 20 и 21, размещенных в едином оптическом боксе 11 для установки необходимого угла обзора телекамеры 19. Для обеспечения информации об угле наклона в конструкцию поворотного устройства 22 введен резистивный датчик обратной связи, сигнал которого индицируется на экране монитора 43. Датчики 32 и 37 оповещают о возможном затекании воды в герметичные боксы 9 и 10 с индикацией оповещения на мониторе 43.
Для излучения и приема отраженных гидроакустических сигналов с целью получения визуального изображения сонограммы морского дна на экране монитора 43 служит головка 16 гидролокатора кругового обзора. Маяк-ответчик 17 обеспечивает прием-передачу гидроакустических сигналов системы подводной навигации с короткой или ультракороткой базой с целью определения местоположения ТПА относительно обеспечивающего судна. В свою очередь, координирование обеспечивающего судна может осуществляться судовой аппаратурой спутниковой системы навигации GPS и/или «ГЛОНАСС», в том числе при использовании их в дифференциальном варианте. Для этого кожух-кейс с размещенным внутри модулем пульта 4 управления и отображения информации снабжен дополнительным разъемом для подключения аппаратуры спутниковой системы навигации, которая кроме координирования может быть использована для синхронизации работы всех блоков комплекса ТПА в реальном времени и оцифровки выходной информации комплекса ТПА.
В конкретных случаях выполнения комплекса модуль управления и отображения информации выполняется с обеспечением функции контроля исправности всех блоков и устройств комплекса ТПА и с возможностью записи на внешние жесткие диски видеоизображений телекамеры и других данных для дальнейшей постобработки информации и идентификации подводных объектов.
Комплекс ТПА «Нерей-350» используется для выполнения работ ТПА с максимальной глубиной его погружения 350 м, длина соединяющего БЧ и ПЧ ТПА кабель-троса составляет не менее 400 м, при этом масса ТПА не превышает 45 кг при габаритах 500х400х400 мм, масса пульта управления не превышает 60 кг при габаритах 700х740х910 мм.
Таким образом, из формулы и из описания комплекса и его работы следует, что достигается его назначение с указанным техническим результатом, который находится в причинно-следственной связи с совокупностью существенных признаков независимого пункта формулы.
ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ
I. Прототип и аналоги:
1. RU 64587 U 1, 10.07.2007 (прототип).
2. RU 24552 U 1, 10.08.2002 (аналог).
3. RU 2163556 С 1, 27.02.2001 (аналог).
II. Дополнительные источники по уровню техники:
4. RU 33550 U 1, 27.10.2003.
5. RU 2220880 С 2, 10.01.2004.
6. RU 47975 S, 16.10.2000.
7. RU 43439 S, 16.05.1997.
8. RU 41218 S, 27.09.1994.
9. Милн П. Подводные инженерные исследования: Пер. с англ. - Л.:
Судостроение, 1984. - 344 с.(с.240-266).
10. Глумов И.Ф. Автоматизированные геофизические комплексы для изучения геологии и минеральных ресурсов Мирового океана. -М.: Недра, 1986. - 344 с.(с.329, 331, 334).
11. Морской энциклопедический справочник: В двух томах. Том 2/Под ред. H.H.Исанина. - Л.: Судостроение, 1987, с.102-103 (Подводные аппараты).