CC BY
7УДК 629.584
Р.А. Г араев, А.Д. Змеев
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]
АКТУАЛЬНОСТЬ РАЗБРАБОТКИ ПОДВОДНОГО ДРОНА И РОБОТА-МАНИПУЛЯТОРА ДЛЯ ОТСЛЕЖИВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ВОДНОЙ БИОСФЕРЫ КАМЧАТСКОГО КРАЯ
Состояние водной биосферы Камчатского края постоянно изменяется, поскольку технических прогресс не стоит на месте и потребности человека постоянно возрастают. В связи с этим необходим более комплексный подход к оценке водной среды. Отслеживание состояния водной биосферы является достаточно сложной задачей, требующей большого количества временных и экономических ресурсов. Разработка и дальнейшая эксплуатация подводного дрона и робота-манипулятора позволит значительно упростить эту задачу и вести отслеживание более эффективно.
Ключевые слова: водная биосфера, роботизированная техника, подводный дрон, робот-манипулятор.
R.A. Garaev, A.D. Zmeev
Kamchatka State Technical University,
Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: [email protected]
RELEVANCE OF DEVELOPMENT OF AN UNDERWATER DRONE AND A ROBOT MANIPULATOR FOR TRACKING THE STATE OF THE AQUATIC BIOSPHERE OF KAMCHATKA KRAI
The state of the aquatic biosphere of Kamchatka Krai is constantly changing, as technological progress does not stand still and human needs are constantly increasing, and therefore a more comprehensive approach to assessing the aquatic environment is needed. Monitoring the state of the aquatic biosphere is quite a complex task that requires a large amount of time and economic resources. The development and further operation of an underwater drone and a robot manipulator will significantly simplify this task and conduct tracking more efficiently.
Key words: aquatic biosphere, robotic technology, underwater drone, robot-manipulator.
Полуостров Камчатка с западного и восточного побережья омывается морями и океаном, в связи с чем состояние водной биосферы играет ключевую роль в целостном и непрерывном развитии данного края. Именно поэтому экологическое состояние водной биосферы является одним из важнейших параметров развития региона. Водная биосфера Камчатки обладает разнообразием видов растений и животных. В водах Камчатского края встречаются различные формы жизни, в том числе различные виды рыб, от которых в прямой зависимости находится экономика нашего края, поскольку именно рыбодобывающие комплексы являются основными в экономическом аспекте [1]. Общее состояние водной биосферы включает в себя совокупность различных факторов, начиная от химического состава внутренних вод и заканчивая многообразием морских популяций, так как при смещении природного или химического баланса может последовать гибель всех живых организмов [2]. Следовательно, необходимо отслеживать состояние водной биосферы и на основе полученных данных прогнозировать дальнейшие изменения состояния водной среды.
На данный момент все операции по ведению мониторинга водной биосферы проводятся непосредственно квалифицированными специалистами. Такой метод является достаточно ресурсозатратным и энергоемким, поскольку требуются дорогостоящее оборудование и профессионалы
с определенными навыками. Помимо этого, сбор соответствующих материалов водной среды требует непосредственного участия человека, что в свою очередь является небезопасным. В статье рассматриваются актуальность и эффективность эксплуатации разрабатываемых роботизированных подводных систем для отслеживания водной биосферы Камчатского края.
В качестве роботизированных систем для отслеживания состояния водной биосферы предлагаются подводный дрон с роботом-манипулятором. Сейчас в ФГБОУ ВО «КамчатГТУ» на кафедре «Энергетические установки и электрооборудование судов» ведется работа над проектами: разработка подводного дрона модульной конструкции и разработка робота-манипулятора для работы в морских условиях. Эти два проекта являются смежными, поскольку расширяют функциональные возможности друг друга. Подводный дрон с модульной конструкцией предназначен для осмотра акваторий и нижней части корпусов судов, также он будет использоваться для транспортировки робота-манипулятора [3]. В свою очередь, данный манипулятор будет собирать образцы грунта, пробы воды и гидробионтов, а также поднимать и переносить различные объекты с морского дна [4]. Разработка данных проектов направлена на осуществление отслеживания состояния водной биосферы Камчатского края. На рис. 1 представлена визуализация подводного дрона с модульной конструкцией и робота-манипулятора.
Рис. 1. Визуализация подводного дрона с модульной конструкцией (слева) и робота-манипулятора (справа)
Макет подводного дрона уже собран и прошел серию испытаний. Корпус прототипа подводного дрона изготовлен из нержавеющей стали. В будущем, после завершение полного цикла испытаний, планируется покраска итогового образца в яркий цвет, поскольку в такой расцветке его видимость в мутной воде значительно повысится. Корпус устройства по предварительным расчетам способен выдержать давление на глубине до 100 м. На дрон установлены четыре электродвигателя, которые дают ему возможность передвигаться со скоростью 1,5 м/с практически бесшумно. Посадочные места для контроллеров электродвигателей, а также сами крепления электродвигателей изготовлены на 3D принтере из ABS-пластика. На борту макета установлена камера, способная записывать в условиях недостаточной видимости, масса всего устройства не превышает 8 кг. Управление дроном происходит с пульта управления, который состоит из платы управления, платы изображения, джойстика управления, ЖК-экрана и внутреннего аккумулятора. В дальнейшем на данный пульт будут добавлены кнопки управления и специальные контроллеры, являющиеся необходимыми для управления роботом-манипулятором.
В процессе разработки и сборки подводного дрона были налажены и отработаны основные моменты изготовления, которые в скором времени будут использоваться для сборки робота-манипулятора. Корпус и основные конструктивные элементы будут печататься на 3D принтере. Так же как и в случае с подводным дроном, все электронные узлы и конструкционные части будут герметичны за счет их последующей заливки герметизирующем веществом. В качестве этого элемента по результатам анализа были выбраны два варианта герметизации: силикон и эпоксидная смола. В результате ряда экспериментов как в соленой, так и в пресной воде выбор был сделан в сторону второго варианта. Несмотря на то, что эпоксидная смола и обладает большей массой, по сравнению с силиконом, а также более дорога в производстве и закупке, она обеспечивает полную герметизацию и более устойчива к коррозийному воздействию, что особенно важно в агрессивных условиях водной среды. На рис. 2 изображена герметизация элементов электроники двумя вариантами.
Рис. 2. Герметизация элементов электроники двумя вариантами: 1 - силикон; 2 - эпоксидная смола
За период летнего сезона проводились неоднократные испытания подводного дрона в условиях естественной его эксплуатации. Первичные испытания, направленные на герметичность конструкции и работоспособность бортовой камеры, проводились в условиях стационарного бассейна [5]. Далее команда разработчиков неоднократно выезжала в морской порт, где проводились испытания, направленные на повышение остойчивости подводного дрона морским волнам. На рис. 3 представлена фотография подводного дрона в морских условиях.
В ходе испытаний были выявлены основные конструктивные недочеты. У макета подводного дрона был смещен центр тяжести, в связи с чем наблюдался постоянный крен на левый борт и дифферент на нос. Данные недостатки были устранены путем баланса всей конструкции с помощью правильного монтажа находящегося внутри корпуса встроенного аккумулятора. В процессе испытаний команда разработчиков предприняла попытку провести осмотр акватории морского порта, в результате чего столкнулась с плохим качеством изображения, записываемого на бортовую камеру. Было принято решение о необходимости установки централизованного источника освещения для подводного дрона.
Впоследствии проводились испытания по подбору источника освещения для подводного дрона. Данные испытания проходили в Юлькином озере (Елизовский район, пос. Раздольный). Испытания осуществлялись с тремя вариантами освещения, которые отличались своей конструкцией и мощностью. Все варианты освещения предварительно были загерметизированы и поочередно устанавливались на подводный дрон. В качестве проверки подходящего источника освещения для исследования использовалась стальная пластина, с наглядными коррозийными процессами для эмуляции корпуса судна, которая опускалась в воду на глубину порядка 2 м [6, 7]. Соответственно, на эту глубину погружался подводный дрон с установленным световым
прожектором на расстоянии от пластины 0,5 и 1 м, и бортовая камера записывала материал на внешний жесткий диск. Результаты этих испытаний описаны в статье «Ряд натурных испытаний по подбору мощности освещения для подводного дрона модульной конструкции», которая опубликована в сборнике Пятой научно-технической конференции «Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития». Стоит отметить, что во время испытаний было принято решение комбинировать различные источники освещения ближнего и дальнего света.
Подводный дрон с роботом-манипулятором в Камчатском крае сделает возможным реализацию постоянного наблюдения, а также сильно упростит данную задачу. Использование этих устройств совместно позволит выполнять все основные задачи мониторинга:
1. Постоянное отслеживание состояния водной биосферы и ее изменений, отслеживание причин, чем были вызваны те или иные изменения, а также их характера;
2. Сбор, обработку и систематизирование поступающих данных;
3. Оценку изменений, составление прогноза изменений состояния водной биосферы.
Данная совокупность роботизированных систем поможет не только сохранить, но и в будущем улучшить состояние водной среды Камчатки, поскольку с их помощью становится возможным вести постоянное и систематизированное отслеживание. Постоянный сбор и анализ данных биосферы нашего региона - залог экологического благополучия всего Камчатского края.
Подводя итог вышесказанному, хочется еще раз отметить, что использование роботизированных систем, представленных в статье, позволит осуществлять отслеживание состояния водной биосферы Камчатского края в более короткие сроки и с меньшими материальными затратами, по сравнению с непосредственным участием специально обученных профессионалов, а также позволит снизить время на подготовку и транспортировку к нужному объекту. Также стоит помнить, что постоянное отслеживание водной среды с использованием подводного дрона и робота-манипулятора позволит более точно прогнозировать дальнейшее изменение ее состояния. И наконец, отслеживание посредством данных технических систем значительно снизит травматизм и сохранит многообразие видов камчатской водной биосферы.
Литература
1. О государственной программе Камчатского края «Развитие рыбохозяйственного комплекса Камчатского края: Постановление Правительства Камчатского края в ред. № 566-П от 22.12.2021. - 2013. - 18 с.
2. Байдалинова Л.С. Биохимия гидробионтов. Лабораторный практикум: Учебное пособие. -М.: Моркнига, 2018. - 336 с.
3. Змеев АД., Рогожников А.О. Перспектива использования подводных дронов для оценки технического состояния антикоррозийной защиты судна // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Четвертой междунар. науч.-практ. конф. (Петропавловск-Камчатский, 25-26 октября 2021 г.). - Петропавловск-Камчатский: Изд-во Кам-чатГТУ, 2022. - С. 109-112.
4. Гараев Р.А., Рогожников А.О. Перспектива использования робота-манипулятора в различных отраслях // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Пятой междунар. науч.-практ. конф. (Петропавловск-Камчатский, 18-21 октября 2022 г.). - Петропавловск-Камчатский: Изд-во КамчатГТУ, 2022. - С. 57-61.
5. Змеев АД., Рогожников А.О., Ястребов Д.П. Разработка и организация испытаний подводного дрона модульной конструкции // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование: Материалы XIII Нац. (всерос.) науч.-практ. конф. (Петропавловск-Камчатский, 22-23 марта 2022 г.). - Петропавловск-Камчатский: Изд-во КамчатГТУ, 2022.- С. 97-101.
6. Белов О.А. Современное состояние организации комплексной защиты металлических корпусов кораблей и судов от коррозии // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - 2017. - № 3 (118). -С. 115-120.
7. Способ контроля защищенности стальных корпусов кораблей и судов от электрохимической коррозии и электрокоррозии: Патент на изобретение RU 2643709 C1 / О.А. Белов, В.А. Швецов, О.А. Белавина. 05.02.2018. Заявка № 2017115308 от 28.04.2017.
