Автономные подводные аппараты: история, применение и перспективы.

Введение

Беспилотный подводный аппарат с автономной системой управления

Автономный подводный аппарат (AUV) – это робот, который перемещается под водой без необходимости постоянного управления со стороны оператора. AUV составляют часть более широкой группы подводных систем, известных как беспилотные подводные аппараты, классификация, которая включает в себя неавтономные дистанционно управляемые подводные аппараты (ROV) – управляемые и питаемые с поверхности оператором/пилотом через кабель или с использованием дистанционного управления. В военных целях AUV чаще называют беспилотным подводным средством (UUV). Подводные глайдеры являются подклассом AUV.

История

Первый AUV был разработан в лаборатории прикладной физики Вашингтонского университета еще в 1957 году Стэном Мерфи, Бобом Франсуа, а позднее Терри Эвартом. "Самоходный подводный исследовательский аппарат" (SPURV) использовался для изучения диффузии, распространения звука и следов подводных лодок. Другие ранние AUV были разработаны в Массачусетском технологическом институте в 1970-х годах. Один из них экспонируется в Морской галерее Харта в МТИ. Одновременно с этим, AUV разрабатывались и в Советском Союзе (хотя об этом стало широко известно гораздо позже).

Приложения

Этот тип подводных аппаратов в последнее время стал привлекательной альтернативой для подводного поиска и исследования, поскольку они дешевле пилотируемых аппаратов. За последние годы было предпринято множество попыток разработать подводные аппараты для решения задач исследования и разработки ресурсов в океане. В последнее время исследователи сосредоточились на разработке автономных необитаемых подводных аппаратов (AUV) для длительного сбора данных в океанографии и управлении прибрежными зонами.

Коммерческий

Нефтегазовая промышленность использует автономные необитаемые подводные аппараты (AUV) для создания детальных карт морского дна перед началом строительства подводной инфраструктуры; трубопроводы и подводные комплектации могут быть установлены наиболее экономичным способом с минимальным воздействием на окружающую среду. AUV позволяет геодезическим компаниям проводить точные обследования участков, где традиционные батиметрические исследования были бы менее эффективны или слишком затратны. Кроме того, стали возможны обследования трубопроводов после их прокладки, включая инспекцию трубопроводов. Использование AUV для инспекции трубопроводов и обследования подводных искусственных сооружений становится все более распространенным. Ведутся также разработки AUV для потенциальной добычи полезных ископаемых на морском дне и/или сбора полиметаллических конкреций.

Исследования

Ученые используют автономные подводные аппараты (AUV) для изучения озер, океана и дна океана. К AUV можно прикрепить различные датчики для измерения концентрации различных элементов или соединений, поглощения или отражения света и наличия микроскопической жизни. Примеры включают в себя датчики температуры, солености и глубины (CTD), флюорометры и pH-сенсоры. Кроме того, AUV можно использовать в качестве буксиров для доставки специализированных комплектов датчиков в определенные места. Лаборатория прикладной физики Вашингтонского университета создает новые версии своей платформы AUV Seaglider с 1950-х годов. Хотя Seaglider изначально разрабатывался для океанографических исследований, в последние годы он вызвал большой интерес со стороны таких организаций, как Военно-морской флот США или нефтегазовая промышленность. Относительно низкая стоимость производства и эксплуатации этих автономных планеров является показателем того, что большинство платформ AUV добьются успеха в самых разных областях применения. Примером AUV, непосредственно взаимодействующего с окружающей средой, является робот Crown Of Thorns Starfish Robot (COTSBot), разработанный Квинслендским технологическим университетом (QUT). COTSBot обнаруживает и уничтожает корону терновых звезд (Acanthaster planci) – вид, наносящий ущерб Большому Барьерному рифу. Он использует нейронную сеть для идентификации морской звезды и вводит желчные соли для ее уничтожения. Квинслендский технологический университет также разработал AUV RangerBot как предшественника COTSBot для мониторинга Большого Барьерного рифа и рифов по всему миру. RangerBot разработан для развертывания одним человеком и обеспечивает визуальное наблюдение в режиме реального времени для навигации, обнаружения препятствий и выполнения задач управления.

Хоби

Многие робототехники создают автономные подводные аппараты (AUV) как хобби. Существует несколько соревнований, которые позволяют этим самодельным AUV соревноваться друг с другом, выполняя поставленные задачи. Как и их коммерческие аналоги, эти AUV могут быть оснащены камерами, освещением или гидролокаторами. В силу ограниченности ресурсов и недостатка опыта, любительские AUV редко могут конкурировать с коммерческими моделями по глубине погружения, надежности или сложности. Наконец, эти любительские AUV обычно не используются в океане, а эксплуатируются в основном в бассейнах или на дне озер. Простой AUV можно собрать из микроконтроллера, герметичного корпуса из ПВХ, привода автоматического дверного замка, шприцев и реле DPDT. Некоторые участники соревнований разрабатывают проекты, использующие программное обеспечение с открытым исходным кодом.

Незаконная торговля наркотиками

Нелегальные наркоторговцы создали подводные лодки, способные автономно добираться до пункта назначения, используя GPS-навигацию.

Расследование авиационных происшествий

Автономные подводные аппараты, такие как AUV ABYSS, использовались для обнаружения обломков пропавших самолетов, например, рейса Air France 447, а AUV Bluefin 21 применялся при поисках рейса Malaysia Airlines 370.

Конструкция транспортных средств

За последние 50 лет было разработано сотни различных AUV, но лишь несколько компаний продают аппараты в значительных количествах. На международном рынке AUV продают около 10 компаний, включая Kongsberg Maritime, HII (ранее Hydroid, и ранее принадлежавший Kongsberg Maritime)), Bluefin Robotics, Teledyne Gavia (ранее известный как Hafmynd), International Submarine Engineering (ISE) Ltd, Atlas Elektronik, RTsys, MSubs и OceanScan. Аппараты различаются по размеру от портативных малогабаритных AUV до аппаратов большого диаметра длиной более 10 метров. Большие аппараты имеют преимущества с точки зрения выносливости и грузоподъемности датчиков, а меньшие аппараты значительно выигрывают от упрощенной логистики (например, потребность в судах обеспечения, системы спуска и подъема). Некоторые производители получили поддержку от государственных программ, включая Bluefin и Kongsberg. Рынок фактически разделен на три области: научные (включая университеты и исследовательские организации), коммерческие оффшорные (энергетика, морские минеральные ресурсы и т.д.) и приложения, связанные с обороной (борьба с минами, подготовка морского пространства). Большинство из этих задач используют схожую конструкцию и работают в крейсерском режиме (типа торпеды). Они собирают данные, следуя по заранее запланированному маршруту со скоростью от 1 до 4 узлов. Коммерчески доступные AUV включают в себя различные конструкции, такие как небольшой AUV REMUS 100, первоначально разработанный Вудс-Холлским океанографическим институтом в США и теперь производимый компанией HII; семейство AUV HUGIN, включающее HUGIN, HUGIN Edge, HUGIN Superior и HUGIN Endurance, разработанные Kongsberg Maritime и Норвежским исследовательским институтом обороны; аппараты Bluefin Robotics; ISE Ltd. Explorer; Solus LR от Cellula Robotics; AUV RT Sys Comet и NemoSens; Gavia, Osprey и SeaRaptor от Teledyne; и линейку AUV L3 Harris Ocean Server Iver. Большинство AUV относятся к классу разведывательных или крейсерских AUV, имеющих цилиндрическую или торпедообразную форму с движимым винтом. Это считается наилучшим компромиссом между размером, полезным объемом, гидродинамической эффективностью и удобством эксплуатации. Некоторые аппараты используют модульную конструкцию, позволяющую операторам легко заменять компоненты. Некоторые последние разработки отходят от традиционной цилиндрической формы в пользу других конфигураций, таких как гибридный R/AUV Sabretooth от Saab или недавно представленный HUGIN Edge. Они оптимизируют форму в соответствии с требованиями задачи (Sabretooth) или для достижения низкого гидродинамического сопротивления (HUGIN Edge). Рынок созрел с 2010 года, и больше внимания уделяется данным, чем характеристикам аппаратов. Операторы стали более технически подкованы, и использование AUV соответственно возросло. Все больше операторов используют свои системы автономно, а не контролируют аппараты с помощью акустической связи. Следовательно, бортовая обработка данных и автономность в ходе выполнения миссии стали более важными характеристиками AUV. Большинство AUV обладают навигационной или событийной автономией. Они следуют географическому плану миссии с определенными событиями для управления датчиками, изменения курса или возвращения на поверхность. Некоторые AUV обладают адаптивной автономией, например, способностью корректировать курс для избежания препятствий на запланированном маршруте. Современное состояние техники – это аппарат, который собирает, обрабатывает и использует полученные данные без участия оператора. С 2008 года разрабатывается новый класс AUV, имитирующий конструкции, встречающиеся в природе. Хотя большинство из них в настоящее время находятся на экспериментальной стадии, эти биомиметические (или бионические) аппараты способны достигать более высокой эффективности в движении и маневренности, копируя успешные решения, найденные в природе. Два таких аппарата – AquaJelly (AUV) от Festo и EvoLogics BOSS Manta Ray.

Hundreds of different AUVs have been designed over the past 50 or so years, but only a few companies sell vehicles in any significant numbers. There are around 10 companies that sell AUVs on the international market, including Kongsberg Maritime, HII (formerly Hydroid, and previously owned by Kongsberg Maritime)), Bluefin Robotics, Teledyne Gavia (previously known as Hafmynd), International Submarine Engineering (ISE) Ltd, Atlas Elektronik, RTsys, MSubs and OceanScan. Vehicles range in size from man portable lightweight AUVs to large diameter vehicles of over 10 metres length. Large vehicles have advantages in terms of endurance and sensor payload capacity; smaller vehicles benefit significantly from lower logistics (for example: support vessel footprint; launch and recovery systems). Some manufacturers have benefited from domestic government sponsorship including Bluefin and Kongsberg. The market is effectively split into three areas: scientific (including universities and research agencies), commercial offshore (offshore energy, marine minerals etc.) and defence related applications (mine countermeasures, battle space preparation). The majority of these roles utilize a similar design and operate in a cruise (torpedo type) mode. They collect data while following a preplanned route at speeds between 1 and 4 knots. Commercially available AUVs include various designs, such as the small REMUS 100 AUV originally developed by Woods Hole Oceanographic Institution in the US and now produced commercially by HII; the HUGIN Family of AUVs comprising HUGIN, HUGIN Edge, HUGIN Superior and HUGIN Endurance developed by Kongsberg Maritime and Norwegian Defence Research Establishment; the Bluefin Robotics vehicles; the ISE Ltd. Explorer; Cellula Robotics' Solus LR; the RT Sys Comet and NemoSens AUVs; Teledyne's Gavia, Osprey and SeaRaptor; and the L3 Harris Ocean Server Iver range of AUVs. Most AUVs fall into the survey class or cruising AUVs, in a cylindrical or torpedo shape with a powered propeller. This is seen as the best compromise between size, usable volume, hydrodynamic efficiency and ease of handling. There are some vehicles that make use of a modular design, enabling components to be changed easily by the operators. Some recent developments move away from the traditional cylindrical shape in favour of other arrangements such as Saab's Sabretooth hybrid R/AUV or the recently launched HUGIN Edge. These either optimise the shape according to the operational requirements (Sabretooth) or to benefit from low drag hydrodynamic performance (HUGIN Edge). The market has matured since 2010 with greater emphasis on data than on vehicle characteristics. Operators are more technically aware and the utilisation of AUVs has increased commensurately. More operators use their systems autonomously, rather than supervising the vehicles using an acoustic link. Consequently, on board processing and in mission autonomy have become more important features for AUVs. Most AUVs have what is considered navigational or event based autonomy. They will follow a geographic mission plan with distinct events to operate sensors, change course or return to the surface. Some AUVs have adaptive autonomy, for example the ability to adjust course to avoid obstacles along the planned route. The current state of the art is a vehicle that collects, processes and acts on the data it has acquired without operator input. As of 2008, a new class of AUVs are being developed, which mimic designs found in nature. Although most are currently in their experimental stages, these biomimetic (or bionic) vehicles are able to achieve higher degrees of efficiency in propulsion and maneuverability by copying successful designs in nature. Two such vehicles are Festo's AquaJelly (AUV) and the EvoLogics BOSS Manta Ray.

Датчики

Автономные необитаемые подводные аппараты (AUV) несут на себе сенсоры для автономной навигации и картографирования морских объектов. Типичные сенсоры включают компасы, датчики глубины, боковые сонары и другие гидролокаторы, магнитометры, термисторы и зонды для измерения электропроводности. Некоторые AUV оснащены биологическими сенсорами, включая флюорометры (также известные как датчики хлорофилла), датчики мутности, а также сенсоры для измерения pH и количества растворенного кислорода. В сентябре 2006 года в Монтерейском заливе (Калифорния) была продемонстрирована возможность буксировки AUV диаметром 400 футов (122 м) гидрофонной антенны длиной 122 метра при сохранении крейсерской скорости.

Радиоволны не могут проникать в воду на большую глубину, поэтому как только AUV погружается, он теряет сигнал GPS. Таким образом, стандартным способом навигации AUV под водой является метод счисления. Однако навигацию можно улучшить, используя подводную акустическую систему позиционирования. При работе в сети базовых транспондеров, размещенных на морском дне, это называется LBL-навигацией. Когда доступна поверхностная опорная точка, такая как судно обеспечения, для определения местоположения подводного аппарата относительно известной (GPS) позиции надводного судна используются ультракороткая базовая линия (USBL) или короткая базовая линия (SBL) посредством измерений акустического расстояния и пеленга. Для повышения точности определения своего положения и уменьшения ошибок счисления (которые накапливаются со временем), AUV также может всплывать на поверхность и самостоятельно определять свои координаты GPS. Между определениями местоположения и для точного маневрирования, инерциальная навигационная система, установленная на борту AUV, вычисляет положение, ускорение и скорость AUV методом счисления. Оценки могут быть выполнены на основе данных от инерциального измерительного блока и улучшены путем добавления доплеровского лага (DVL), который измеряет скорость движения по морскому или озерному дну. Обычно датчик давления измеряет вертикальное положение (глубину аппарата), хотя данные о глубине и высоте также могут быть получены из измерений DVL. Эти данные фильтруются для получения окончательного решения по навигации.

Двигатель

Существует несколько методов движения для AUV. Некоторые из них используют щеточный или бесщеточный электродвигатель, редуктор, сальниковое уплотнение (Lip seal) и пропеллер, который может быть окружен соплом или не быть им. Все эти компоненты, встроенные в конструкцию AUV, участвуют в создании тяги. Другие аппараты используют подруливающие устройства для обеспечения модульности. В зависимости от задачи, подруливающее устройство может быть оснащено соплом для защиты пропеллера от столкновений или для снижения уровня шума, либо прямым приводом для поддержания максимальной эффективности и минимального уровня шума. Усовершенствованные подруливающие устройства AUV имеют резервную систему уплотнения вала, чтобы гарантировать надежную герметичность робота даже в случае выхода из строя одного из уплотнений во время миссии. Подводные планеры не создают тягу напрямую. Они изменяют свою плавучесть и дифферент, многократно опускаясь и поднимаясь, а профильные "крылья" преобразуют это вертикальное движение в поступательное. Изменение плавучести обычно достигается с помощью насоса, который может набирать или выталкивать воду. Управление углом тангажа аппарата осуществляется путем перемещения центра масс. В планерах Slocum это реализуется внутри аппарата путем перемещения аккумуляторных батарей, установленных на винтовом механизме. Благодаря низкой скорости и энергоэффективной электронике, энергия, необходимая для смены режимов плавучести, значительно меньше, чем для обычных AUV, что позволяет планерам работать в течение месяцев и преодолевать трансокеанские расстояния.

Сообщения

Поскольку радиоволны плохо распространяются под водой, многие автономные необитаемые подводные аппараты (AUV) оснащаются акустическими модемами для обеспечения дистанционного управления и связи. Эти модемы, как правило, используют запатентованные методы и схемы модуляции. В 2017 году НАТО утвердила стандарт ANEP 87 JANUS для подводной связи. Этот стандарт обеспечивает скорость передачи данных 80 бод с гибким и расширяемым форматом сообщений. Исследуются альтернативные методы связи, включая оптические, индуктивные и радиочастотные, которые могут быть объединены в мультимодальные решения. Также проводятся оценки новых методов связи, способных использовать существующую инфраструктуру в качестве канала связи для обеспечения альтернативных каналов и возможностей взаимодействия с аппаратами.

Мощность

Большинство используемых сегодня AUV работают от перезаряжаемых аккумуляторов (литий-ионных, литий-полимерных, никель-металлгидридных и т.д.) и оснащены системой управления батареями. Некоторые аппараты используют первичные элементы питания, которые обеспечивают примерно вдвое большую продолжительность работы, но при значительно более высокой стоимости каждой миссии. Ранее в некоторых системах использовались полутопливные элементы на алюминиевой основе, однако они требуют существенного обслуживания, дорогостоящей перезарядки и образуют отходы, требующие безопасной утилизации. Наблюдается тенденция к комбинированию различных аккумуляторных и энергетических систем с суперконденсаторами.