Кіріспе

Автономды су асты көлігі (AUV) – оператордың үнемі басқаруын қажет етпей су астында қозғалатын робот. AUV-лер адамсыз су асты жүйелерінің кең тобының бір бөлігін құрайды, бұл классификацияға оператор/пилоттан немесе қашықтан басқару арқылы жер бетінен басқарылатын және қуат алатын, автономды емес алыстан басқарылатын су асты аппараты (ROV) кіреді. Әскери қолданыста AUV көбінесе адамсыз су асты аппараты (UUV) деп аталады. Су асты жылғыштары – AUV-лердің бір түрі.

Тарих

Алғашқы AUV-ді Вашингтон университетінің қолданбалы физика зертханасында 1957 жылы Стэн Мерфи, Боб Франсуа және кейін Терри Эварт жасады. "Өздігінен қозғалатын су асты зерттеу құралы", немесе SPURV, диффузияны, дыбыстық таралуды және су асты қайықтардың іздерін зерттеу үшін пайдаланылды. Басқа ерте AUV-тер 1970 жылдары Массачусетс технология институтында әзірленді. Олардың бірі MIT-тің Харт теңіз галереясында қойылған. Сол кезде КСРО-да да AUV-тер жасалды (бірақ бұл көп уақыттан кейін ғана белгілі болды).

Қолданбалар

Су астындағы бұл көліктер адам басқаратын көліктерге қарағанда арзан болғандықтан, жақында су астында іздеу және зерттеу жүргізу үшін тартымды балама ретінде пайда болды. Соңғы жылдарда мұхиттарда зерттеу және пайдалы қазбаларды өндіру бағдарламаларының қиындықтарын еңсеру үшін су асты көліктерін жасауға көптеген тыраштандырулар жасалды. Жақында ғалымдар мұхитты зерттеу және жағалауды басқару салаларында ұзақ мерзімді деректерді жинау үшін AUV-терді (автономды су асты көліктерін) әзірлеуге баса назар аударуда.

Коммерциялық

Мұнай және газ өнеркәсібі теңіз асты инфрақұрылымын салуды бастамас бұрын теңіз түбінің егжей-тегжейлі карталарын жасау үшін AUV-ды пайдаланады; құбырлар мен теңіз асты нысандарын қоршаған ортаға ең аз зиян келтіре отырып, ең тиімді тәсілмен орнатуға болады. AUV зерттеу компанияларына дәстүрлі батиметриялық зерттеулердің тиімді болмайтын немесе тым қымбатқа түсетін аймақтарды нақты зерттеуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, құбырларды төсеуден кейінгі тексерулер, оның ішінде құбырларды инспекциялау мүмкін болады. AUV-ды құбырларды инспекциялау және су астындағы жасалған құрылыстарды тексеру үшін қолдану жиілеуде. Теңіз түбінде полиметалл түйіндерін өндіру және/немесе жинау үшін AUV-тарды әзірлеу жұмыстары да жүргізілуде.

Зерттеу

Ғалымдар көлдерді, мұхитты және мұхит түбін зерттеу үшін AUV-ларды пайдаланады. AUV-қа әртүрлі элементтердің немесе қосылыстардың концентрациясын, жарықтың сіңірілуін немесе шағылысуын, сондай-ақ микроскопиялық тіршіліктің болуын өлшеу үшін түрлі сенсорларды орнатуға болады. Мысалдарға өткізгіштік-температура-тереңдік сенсорлары (CTD), флюорометрлер және pH сенсорлары жатады. Сонымен қатар, AUV-ларды белгілі бір жерлерге сенсорлық жиынтықтарды жеткізу үшін сүйреуге арналған көлік ретінде конфигурациялауға болады. Вашингтон университетінің қолданбалы физика зертханасы 1950 жылдан бері Seaglider AUV платформасының жаңа нұсқаларын жасап келеді. Seaglider бастапқыда мұхитты зерттеу үшін жобаланған болса да, соңғы жылдары АҚШ Әскери-теңіз күштері және мұнай-газ саласы сияқты ұйымдардың қызығушылығын тудырды. Бұл автономды желкендердің салыстырмалы түрде арзан өндірілуі және пайдалануы, көптеген қолданыстарда табысқа жететін көптеген AUV платформаларының ерекшелігі болып табылады. AUV-тың өзінің ортасымен тікелей өзара әрекеттесетінінің мысалы – Квинсленд технологиялық университеті (QUT) жасаған Crown Of Thorns Starfish Robot (COTSBot). COTSBot Ұлы Барьерлі рифке зиян келтіретін теңіз жұлдыздарының (Acanthaster planci) тікенді тажырын тауып, жояды. Ол нейрондық желіні пайдаланып теңіз жұлдызын анықтайды және оны өлтіру үшін өттер тұздарын енгізеді. Квинсленд технологиялық университеті сонымен қатар Ұлы Барьерлі рифті және әлемдегі басқа рифтерді бақылауға көмектесетін COTSBot-тың алдындағы RangerBot AUV-ті әзірледі. RangerBot бір адамды пайдалану үшін жасалған және навигация, кедергілерді анықтау және басқару міндеттері үшін нақты уақыт режимінде кескішті ұсынады.

Әуесқойлық

Көптеген робототехниктер AUV-терді хобби ретінде құрастырады. Осы қолмен жасалған AUV-лердің бір-бірімен жарысуына және міндеттерді орындауына мүмкіндік беретін бірнеше жарыс бар. Коммерциялық аналогтары сияқты, оларға да камералар, шамдар немесе сонар орнатылуы мүмкін. Шектелген ресурстар мен тәжірибесіздік салдарынан, хобби AUV-лер операциялық тереңдік, сенімділік немесе күрделілік тұрғысынан коммерциялық үлгілермен бәсекелесе алмайды. Соңында, мұндай хобби AUV-лер көбінесе теңізге шықпайды, көбінесе бассейндерде немесе көлдердің түбінде қолданылады. Бір қарапайым AUV микроконтроллер, ПВХ қысым корпусы, автоматтік есік құлпының механизмі, шприцтер және DPDT релесінен құрастырылуы мүмкін. Кейбір жарысқа қатысушылар ашық кодты бағдарламалық қамтамасыз етуге негізделген жобаларды жасауға ұмтылады.

Заңсыз есірткі айналымы

GPS навигациясы арқылы автономды түрде белгілі бір мақсатқа жететін суасты кемелерін заңсыз есірткі тасымалдаушылар жасаған.

Авиа апатты тергеу

Автономды су асты көліктері, мысалы AUV ABYSS, жоғалған ұшақтардың қирандыларын табу үшін қолданылған, мәселен Air France 447 рейсі, ал Bluefin 21 AUV Малайзия әуе компаниясының 370 рейсін іздеуге жұмылдырылды.

Көлік құралының конструкциясы

Өткен 50 жыл ішінде жүздеген түрлі автономды су асты мешасы (AUV) жасалды, бірақ көліктерді ірі көлемде сататын компаниялардың саны санаулы. Халықаралық нарықта AUV сататын шамамен 10 компания бар, олардың ішінде Kongsberg Maritime, HII (бұрынғы Hydroid, ал бұрын Kongsberg Maritime иелігінде болған), Bluefin Robotics, Teledyne Gavia (бұрынғы Hafmynd), International Submarine Engineering (ISE) Ltd, Atlas Elektronik, RTsys, MSubs және OceanScan кіреді. Көліктердің мөлшері қолмен тасымалданатын жеңіл AUV-лардан бастап, 10 метрден асатын ұзындығы бар үлкен диаметрлі көліктерге дейін өзгереді. Үлкен көліктердің төзімділігі жоғары және сенсорлық жүктемеге қабілеттілігі артық, ал кіші көліктер логистикалық жағынан тиімді (мысалы, қолдау кемелерінің мөлшері, іске қосу және қайтару жүйелері). Bluefin және Kongsberg сияқты кейбір өндірушілер мемлекеттік қолдауға ие болды. Нарық үш негізгі салаға бөлінеді: ғылыми (университеттер мен зерттеу ұйымдары), коммерциялық теңіздік (теңіз энергиясы, теңіз минералдары және т.б.) және қорғанысқа қатысты (миналарды жою, жауынгерлік кеңістікті дайындау). Бұл міндеттердің көпшілігі бірдей конструкцияны пайдаланады және торпеда тәрізді круиздік режимде жұмыс істейді. Олар 1 мен 4 теңіз шақырымы арасындағы жылдамдықпен, алдын ала жоспарланған маршрут бойынша қозғалып, деректерді жинайды. Коммерциялық қолжетімді AUV-ларға әртүрлі үлгілер кіреді, мысалы, АҚШ-тағы Вудс-Холл океанографиялық институты әзірлеген және қазір HII компаниясы өндіретін шағын REMUS 100 AUV; Kongsberg Maritime және Норвегия қорғаныс зерттеу институтымен бірлесіп жасалған HUGIN, HUGIN Edge, HUGIN Superior және HUGIN Endurance үлгілерін қамтитын HUGIN AUV отбасы; Bluefin Robotics көліктері; ISE Ltd. Explorer; Cellula Robotics Solus LR; RT Sys Comet және NemoSens AUV; Teledyne Gavia, Osprey және SeaRaptor; сондай-ақ L3 Harris Ocean Server Iver AUV түрлері. Көптеген AUV-лар зерттеу класына немесе круиздік AUV-ларға жатады, олар цилиндр немесе торпеда пішіндес және қозғалтқышпен жабдықталған. Бұл өлшем, пайдалы көлем, гидродинамикалық тиімділік және басқарудың қарапайымдығы арасындағы ең оңтайлы тепе-теңдік деп есептеледі. Кейбір көліктер операторларға құрамдас бөліктерді оңай ауыстыруға мүмкіндік беретін модульдік конструкцияны қолданады. Жақындағы жаңалықтар дәстүрлі цилиндр пішінінен бас тартып, Saab Sabretooth гибридті R/AUV немесе жаңадан ұсынылған HUGIN Edge сияқты басқа құрылымдарға көшуде. Олар пішінды операциялық талаптарға сәйкес оңтайландырады (Sabretooth) немесе төмен қарсылық гидродинамикалық өнімділігінен пайдаланады (HUGIN Edge). 2010 жылдан бері нарық дамып, көлік құралдарының сипаттамаларынан гөрі деректерге басымдық берілді. Операторлар техникалық білімі жоғары және AUV-ты пайдалану да осыған сәйкес артты. Көбірек операторлар жүйелерін автономды түрде пайдаланады, көліктерді акустикалық байланыс арқылы бақылаудың орнына. Осының салдарынан, AUV үшін бортындағы өңдеу және миссиялық автономия маңызды мүмкіндіктерге айналды. Көптеген AUV-ларда навигациялық немесе оқиғаға негізделген автономия бар. Олар сенсорларды іске қосу, бағытты өзгерту немесе бетке қайту үшін белгілі бір оқиғалармен анықталған географиялық жоспарды орындайды. Кейбір AUV-лар бейімделуге қабілетті автономияға ие, мысалы, жоспарланған маршрут бойындағы кедергілерден аулақ болу үшін бағытты өзгерту мүмкіндігі. Қазіргі заманғы технология - оператордың араласуынсыз деректерді жинап, өңдеп, оларға сәйкес әрекет ететін көлік құралы. 2008 жылдан бастап табиғаттағы үлгілерді еліктейтін AUV-тың жаңа класы әзірленуде. Көбісі әлі тәжірибелік сатыда болғанымен, бұл биомиметикалық (немесе бионикалық) көліктер табиғаттағы сәтті үлгілерді көшіру арқылы қозғалыс және маневрлеуде жоғары тиімділікке қол жеткізе алады. Мұндай екі көлік – Festo's AquaJelly (AUV) және EvoLogics BOSS Manta Ray.

Датчиктер

AUV-лар автономды түрде жүзуге және мұхиттың ерекшеліктерін картографиялауға арналған сенсорларды тасымалдайды. Типтік сенсорларға компастар, тереңдік сенсорлары, бүйірлік сканерлер және басқа да сонарлар, магнитометрлер, терморезисторлар және өткізгіштік зондтары кіреді. Кейбір AUV-лар биологиялық сенсорлармен жабдықталған, оның ішінде флюорометрлер (хлорофилл сенсорлары деп те аталады), бұлыңғырлық сенсорлары, pH өлшегіштер және еріген оттегінің мөлшерін өлшейтін сенсорлар бар. 2006 жылдың қыркүйек айында Калифорния штатының Монтерей шығанағында өткен демонстрация көрсеткендей, белгілі бір диаметрі бар AUV 400 фут (122 м) ұзындығындағы гидрофондық тізбекті круиздік жылдамдықты сақтай отырып, сүйрей алады.

Навигация

Радио толқындары суға тым терең жете алмайды, сондықтан AUV суға батқанда GPS сигналын жоғалтады. Сондықтан, AUV-лардың су астында навигациялаудың стандартты тәсілі – өлі есептеу. Дегенмен, су асты акустикалық позициялау жүйесін пайдалану арқылы навигацияны жақсартуға болады. Теңіз түбіне орналастырылған базалық транспондерлер желісінде жұмыс істегенде, бұл LBL навигациясы деп аталады. Егер қолдау кемесі сияқты жер бетінен анықтама болса, акустикалық қашықтық және бағыт өлшемдері арқылы су асты аппаратының жер бетіндегі кеменің белгілі (GPS) орнына қатысты орнын анықтау үшін ультра қысқа базалық (USBL) немесе қысқа базалық (SBL) позициялау қолданылады. Өзінің орнын бағалауды жақсарту және уақыт өте келе арта түсетін өлі есептеудегі қателерді азайту үшін AUV өз GPS деректерін жаңарта алады. Позицияны анықтау және дәл маневрлеу кезінде AUV-дағы инерциялық навигациялық жүйе AUV-ның орнын, үдеуін және жылдамдығын өлі есептеу арқылы есептейді. Бағалаулар инерциялық өлшеу құралынан алынған деректерді пайдалана отырып жасалады, және теңіз/көл түбіндегі жылдамдықты өлшейтін Допплер жылдамдық журналын (DVL) қосу арқылы жақсартуға болады. Әдетте, қысым датчигі тік позицияны (аппараттың тереңдігін) өлшейді, бірақ тереңдік және биіктік DVL өлшемдерінен де алынуы мүмкін. Бұл деректер сүзгіленіп, соңғы навигациялық шешімді анықтау үшін қолданылады.

Қозғалтқыш

AUV-ның бірнеше итергіш техникалары бар. Олардың кейбіреулері щеткалы немесе щеткасыз электрмотор, редуктор, Lip сальникы және соқпақпен немесе соқпақсыз винтті пайдаланады. AUV конструкциясына енген барлық бөлшектер итергішке қатысады. Басқа көліктер модульділікті сақтау үшін итергіш блогын қолданады. Қажеттілікке қарай, итергіш винт соқтығысынан қорғау үшін немесе шуды азайту үшін сопломен жабдықталуы мүмкін, немесе тиімділікті ең жоғары деңгейде және шуды ең төмен деңгейде ұстау үшін тікелей жетекті итергішпен жабдықталуы мүмкін. Күрделі AUV итергіштерінде роботтың миссия кезінде бір сальник бұзылған жағдайда да дұрыс герметизациясын қамтамасыз ететін қосымша шахталық герметизация жүйесі бар. Су астына түсетін планерлер өздігінен итергішпен қозғалмайды. Олар өздерінің қалықтап қалу қабілетін және тепе-теңдігін өзгерту арқылы бірнеше рет батып, қайта көтеріледі; аэродинамикалық "қанаттар" бұл жоғары-төмен қозғалысты алға жылғалысқа айналдырады. Қалықтап қалу қабілетін өзгерту әдетте суды сорып алуға немесе шығаруға қабілетті сорғы арқылы жүзеге асырылады. Көліктің бағытын оның массалық орталығын жылжыту арқылы басқаруға болады. Slocum планерлері үшін бұл бұрандаға орнатылған аккумуляторларды ішкі жағынан жылжыту арқылы жасалады. Олардың төмен жылдамдығы және төмен қуатты электроникасының арқасында күйлерді ауыстыруға қажетті энергия тұрақты AUV-лерге қарағанда әлдеқайда аз, ал планерлер айлар бойы және мұхиттарды кесіп өтуге қабілетті.

Байланыс

Радио толқындары су астында жақсы таралмайтындықтан, көптеген AUV-лар қашықтан басқару және бақылау үшін акустикалық модемдерді қамтиды. Бұл модемдер әдетте өзгеге жарияланбаған байланыс техникаларын және модуляция схемаларын пайдаланады. 2017 жылы НАТО су асты байланысы үшін ANEP 87 JANUS стандартын бекітті. Бұл стандарт 80 бит/секунд байланыс желілерін икемді және кеңейтілген хабарлама пішімдеуімен қамтамасыз етеді. Оптикалық, индукциялық және радиожиілік негізіндегі техникаларды қоса алғанда, баламалы байланыс техникалары зерттелуде, олар көп режимді шешімдерде біріктірілуі мүмкін. Көлік құралдарынан баламалы байланыс жолдары мен мүмкіндіктерді ұсыну үшін байланыс жолы ретінде инфрақұрылымды пайдалана алатын жаңа байланыс техникалары да бағалануда.

Қуат

Қазіргі кезде қолданыстағы AUV-лардың көпшілігі қайта зарядталатын батареялармен (литий-иондық, литий-полимерлік, никель-металл гидриді және т.б.) қуаттанады және батареяны басқару жүйесінің бір түрімен жабдықталған. Кейбір көліктерде біріншілік батареялар қолданылады, олардың қызмет ету мерзімі шамамен екі есе ұзақ, бірақ әр миссияға айтарлықтай қосымша шығын тудырады. Бұрынғыда кейбір жүйелер алюминий негізіндегі жартылай отын ұяшықтарын пайдаланған, бірақ оларға күрделі техникалық қызмет көрсету, қымбатты толтыру және қауіпсіз өңдеуді қажет ететін қалдық өнімдерді шығару қажет болды. Соңғы тренд – әртүрлі батареялар мен қуат жүйелерін суперконденсаторлармен үйлестіру.