CC BY
111
Verba Vladimir Stepanovich, doctor of technical sciences, professor, Director General, Designer General, [email protected], Russia, Moscow, JSC "Radio Engineering Corporation "Vega",
Merkulov Vladimir Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, Honored Science Worker of RF, Head of Department, Deputy Designer General, merkulovamail. ru, Russia, Moscow, JSC "Radio Engineering Corporation "Vega",
Plyashechnik Andrey Sergeevich, candidate of physical mathematical sciences, Leading Scientist, [email protected], Russia, Moscow, JSC "Radio Engineering Corporation "Vega"
УДК 623.827
К ВОПРОСУ О ПРИНЦИПАХ ПЛАНИРОВАНИЯ
И ОСОБЕННОСТЯХ ФОРМИРОВАНИЯ ГЛОБАЛЬНЫХ
МАРШРУТОВ АВТОНОМНЫХ ПОДВОДНЫХ РОБОТОВ
Л.А. Наумов, Г.Ю. Илларионов, К.З. Лаптев, А.В. Бабак
Развитие подводных технологий и существенные достижения в области энергетических установок обеспечивают значительное увеличение автономности необитаемых подводных аппаратов. В этой связи планирование и формирование дальних океанских маршрутов для автономных необитаемых подводных аппаратов в интересах гидрографических исследований играют важную роль. Процесс подготовки и планирования дальних океанских маршрутов для необитаемых подводных аппаратов имеет ряд особенностей, учет которых позволит обеспечить выполнение поставленных задач.
Ключевые слова: океанский маршрут, автономный необитаемый подводный аппарат, выполнение поставленных задач, подводный робототехнический комплекс.
В настоящее время для исследований Мирового океана все чаще применяются автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА). Современный этап развития морских технологий характеризуется существенными достижениями в области энергетических установок АНПА, в системах управления, навигации и связи, что позволяет кардинально увеличить автономность АНПА и обеспечить их способность самостоятельно работать в отдаленных районах Мирового океана [1]. В этой связи планирование и формирование длительных океанских маршрутов АНПА приобретают важную роль и требуют своего осмысления. АНПА, выполняющий дальний океанский поход, входит в состав подводного робототехнического комплекса (ПРТК), который предназначен для решения широкого круга задач, как самостоятельно, так и совместно с различными заинтересо-
ванными министерствами и ведомствами. Если рассматривать планирование маршрута и подготовку АНПА к плаванию по аналогии с подготовкой океанского похода подводной лодки (по очень многим вопросам эти мероприятия совпадают), то становится очевидным, что для выполнения такой работы необходимо наличие специализированных технических средств и организационных структур (подразделений). Их основные задачи - выполнение мероприятий подготовки АНПА к походу, непосредственное управление аппаратом и обеспечивающими силами в море, а также обеспечение выполнения аппаратом поставленной задачи. Такими структурами могут быть:
береговой центр управления (БЦУ) ПРТК; специализированная система связи (структурно входит в БЦУ); береговые и плавучие базы ПРТК; силы и средства обеспечения.
Вышеперечисленные структуры предназначены для выполнения работ, связанных с подготовкой и реализацией похода АНПА. Организационные мероприятия, выполняемые этими структурами, включают:
поддержание технических средств, обеспечивающих работу АНПА, а также БЦУ, в высокой степени готовности;
предварительный сбор, обработку данных по маршруту и по районам исследований;
анализ и оценку навигационной, гидрографической и гидрометеорологической обстановки на маршруте и в районе исследований; подготовку программы-задания для АНПА;
подготовку сил и средств, обеспечивающих функционирование АНПА на всех этапах похода;
оперативное управление аппаратом на маршруте (корректура, изменение маршрута);
порядок завершения (прекращения) работы АНПА и организацию возвращения в пункт постоянной дислокации. Технические мероприятия включают:
предварительную подготовку АНПА, его научного оборудования к походу (в соответствии с технологической картой);
окончательную подготовку АНПА (регламентные проверки технических средств АНПА и научного оборудования).
Выполнение всего комплекса мероприятий потребует проведения целого ряда организационных и практических мероприятий, реализация которых невозможна без создания единой системы применения ПРТК, которая, по-видимому, будет включать в себя следующие подсистемы: исследовательскую; обслуживающую; обеспечивающую; управляющую.
В исследовательскую подсистему входят непосредственно ПРТК (АНПА и вспомогательные элементы). Обслуживающая подсистема - это береговые и плавучие базы ПРТК. Береговая база ПРТК - береговое формирование, где находятся ПРТК и элементы их вспомогательных подсистем. На береговой базе ПРТК осуществляются приемка, хранение, обслуживание, ремонт, техническая подготовка к применению, выдача ПРТК на носитель либо непосредственное применение АНПА от берега. Плавучая база ПРТК - специализированное судно, где находятся ПРТК и элементы их вспомогательных подсистем. На плавучей базе ПРТК также осуществляются хранение, обслуживание, ремонт, окончательная подготовка перед применением и применение ПРТК. Обеспечивающая подсистема - подразделения, занимающиеся созданием и оперативным оборудованием акватории (маршрута похода) комплексом специальных (надводных и подводных) технических средств, обеспечивающих действия АНПА в океане, а также формированием, подготовкой и развертыванием специализированной (способной работать с робототехническими средствами) корабельной и авиационной группировки сил обеспечения АНПА на всех этапах океанского маршрута. В состав обеспечивающей подсистемы могут временно входить силы и средства различных министерств и ведомств, в интересах которых решаются главные задачи. При рассмотрении управляющей подсистемы целесообразно говорить о такой структуре, как БЦУ, т.е. органе управления, который координирует работу всей системы применения ПТРК, её исследовательской, обеспечивающей и обслуживающей подсистем. БЦУ занимается вопросами планирования океанских маршрутов и управлением АНПА на всех этапах выполнения маршрута. БЦУ как подсистема управления включает в себя органы, пункты (береговые, корабельные и авиационные) и средства управления. Работа БЦУ в общем случае должна включать следующие аспекты:
планирование похода с учетом оценки и прогнозирования обстановки по маршруту (надводной, подводной, воздушной, донной); планирование оперативного оборудования маршрута; планирование всех видов, обеспечения (навигационного, гидрографического, гидрометеорологического, спасательного и др.);
планирование и управление подготовкой АНПА к походу (в том числе и технической);
оперативное управление АНПА на всех этапах похода (выход из базы, движение по маршруту, непосредственное выполнение задания и возвращении в базу), включая взаимодействие с обеспечивающими силами и средствами;
организацию связи и связь в направлении «Берег^АНПА».
Исходя из вышеизложенного, БЦУ должен включать: группу планирования применения АНПА;
группу оперативного управления и контроля технического состояния АНПА в ходе реализации маршрута;
группу планирования оперативного оборудования акватории и взаимодействия с обеспечивающими силами (группа управления обеспечивающей подсистемой);
группу планирования подготовки АНПА к применению (группа управления обслуживающей подсистемой); группу связи.
Таким образом, для успешной реализации и всестороннего обеспечения океанских маршрутов АНПА необходимо формирование исследовательской, управляющей обеспечивающей и обслуживающей подсистем, для чего необходимо:
включение в состав нагрузки проектируемых АНПА ряда необходимых технических средств;
создание берегового центра управления АНПА; создание береговых и плавучих баз ПТРК;
создание технических средств для оперативного оборудования маршрута АНПА (информационных позиций);
Для того чтобы АНПА с большой автономностью мог осуществлять длительные океанские походы, он, помимо прочего, должен иметь следующие технические средства:
усовершенствованный навигационный комплекс, включающий в себя инерциальную навигационную систему (ИНС), абсолютный лаг, средства коррекции места АНПА (космические, радионавигационные, гидроакустические, по рельефу дна, по магнитному и гравитационному полям Земли и др.);
гидроакустический комплекс, предназначенный, главным образом для обеспечения безопасного маневрирования АНПА на глубине, в придонном и приповерхностном слоях, при всплытии в надводное положение и для определения места аварийного и (или) затонувшего АНПА;
комплекс радиотехнической разведки, предназначенный для обнаружения работающих радиолокационных средств кораблей и самолетов в районе всплытия;
комплекс радиосвязи, предназначенный для управления АНПА на маршруте и передачи данных с АНПА на БЦУ;
технические средства защиты информации от несанкционированных действий;
технические средства активной и пассивной защиты аварийно всплывшего АНПА от несанкционированного досмотра и похищения;
технические средства активной и пассивной защиты затонувшего АНПА от несанкционированного досмотра и подъема на поверхность;
85
систему диагностики, предназначенную для комплексного определения технического состояния АНПА и его систем;
аварийно-буксирное устройство, предназначенное для буксировки аварийного АНПА, всплывшего в надводное положение и потерявшего ход;
специальные отличительные огни, работающие в надводном положении в ночное время и в условиях плохой видимости, определяющие принадлежность к подводным робототехническим средствам;
отличительные и другие символы, определяющие государственную (ведомственную) принадлежность АНПА.
Среди всего круга проблем планирования маршрута критической является проблема самостоятельного всплытия АНПА в надводное положение по команде бортовой системы управления. Расчеты показывают, что количество всплытий АНПА в надводное положение на маршруте (рисунок) может достигать 50 и более. Бортовая аппаратура должна обеспечивать безопасность всплытия АНПА во всех условиях обстановки. Должны быть разработаны алгоритмы управления АНПА с учётом фактической гидрометеорологической, гидрологической обстановки и наличия надводных (опасных) целей в районе всплытия.
Непосредственная работа по формированию маршрута должна осуществляться оперативным составом БЦУ в период предварительной подготовки АНПА к походу и состоит из следующих мероприятий: изучение плана научных исследований;
подборка карт и руководств для всех районов плавания по маршруту;
составление графического (в т.ч. на электронной карте) плана похода;
предварительная прокладка маршрута похода на путевой и генеральной картах;
подбор и подготовка справочных материалов по маршруту похода; выполнение навигационных расчетов точности плавания АНПА на всех этапах похода;
назначение контрольных точек и рубежей получения АНПА информации и донесения от АНПА.
Подбор карт и руководств для плавания проводится после принятия решения на использование АНПА по плану научных исследований. Составление графического плана похода начинается с выбора и предварительного расчета маршрута похода и отображения его на генеральной карте обстановки. Маршрут похода целесообразно разделить на отдельные участки по: навигационным, гидрологическим и гидрометеорологическим и др. данным.
№. ш
<> жа^Мйшт*
г. Сметанина: 1345 м £
Сеаеро-Тихоокеанское течение
:
юса пролета ИСЗ
Райо н и нтен си вного ЩШ судоходства
Марианский желоб
. * Северное пассатное течение _ |Межпассатное противотечение
- -
Район добычи
Южное пассатное течение
""Л \
Район активных действий, проведения учений ВМС иностранных государств
Развертывание в подвижных районах
• Восточно-Австралийское течение,
° - V ' . ' ' ^ИВЯеюШ*!:, : с-']
. Необходимость учета .
" --- — •<■ Щ ТРЧРНИЙ ФШ
Западно-Австралииское течение Щщт^цж^-^^ж^г^яШШ^
! Район в форме прямоугольника |
Район в форме круга
;а пролета
контрольный рубеж,, А. рубеж донесения ¿Ш
■
Полоса пролета к[СЗ
\ А 4 Необходимость учета''' ".« /" ;> I | течений {_
ЖшШ^ктв^шя^Щ^
| Ширина маршрута развертывания:.*^ _не менее 10 миль_г
Район для уточнения места
Течение западных ветров I
2 Контрольный рубеж, 1 рубеж донесения
• ГГ" "ч "<..... • '
Необходимость учета ледовых условий
Район проведения исследований
Маршрут перехода АНПА в заданный район Мирового океана
Предварительная прокладка маршрута на путевых картах проводится после составления графического плана похода и завершения предварительных расчетов. Расположение маршрута с учетом поставленной задачи по исследованиям должно учитывать по возможности все факторы, обеспечивающие безопасность АНПА, возможность надежного определения места и поддержания устойчивой связи с управляющим центром и отвечать следующим основным требованиям:
проходить вне районов боевой подготовки ВМС иностранных государств;
назначаться по возможности вне районов интенсивного судоходства и рыболовства, районов, опасных в навигационном отношении; проходить в районах с характерными изобатами; проходить вне районов активной вулканической и сейсмической деятельности, районов со сложным течением (сулои, ринги), если такая задача не поставлена планом исследований.
Маневрирование АНПА на маршруте и в районе зависит, в первую очередь, от плана исследований и возможностей технических средств АНПА и может осуществляться:
на широком фронте при ширине полосы движения АНПА до 50 миль, опережение и отставание от подвижной точки может составлять до 25 миль;
на узком фронте при ширине полосы движения АНПА до 15 миль опережение и отставание от подвижной точки может составлять до 5 миль.
Примерами реализованных межконтинентальных маршрутов являются переходы АНПА - глайдеров. В 2009 г. глайдер Я27 (США) пересек Атлантический океан за 221 сутки, пройдя маршрут дальностью 7400 км [2]. В этом же году АНПА - солнечный глайдер за 41 сутки прошел маршрут от Гавайских островов до г. Сан-Диего, дальностью 4000 км [3, 4].
Таким образом, работа по формированию океанского маршрута, оперативное оборудование этого маршрута, подготовка АНПА и обеспечивающих сил к походу, управление АНПА в процессе выполнения поставленной задачи, по сути, являются сложным, многоплановым процессом, включающим в себя вопросы различных уровней управления различной ведомственной принадлежности. Наличие БЦУ, автоматизированной системы управления и контроля, системы всестороннего обеспечения АНПА в походе является обязательным условием осуществления этой идеи. Формирование океанского маршрута, подготовка маршрута и самого аппарата к походу, а также непосредственное выполнение АНПА поставленной задачи - это элементы новой технологии, где АНПА является ее ключевым элементом. Необходимо также активизировать работу по приданию средствам морской робототехники (АНПА) международно-правового статуса.
Список литературы
1. Илларионов Г.Ю., Сиденко К.С., Бочаров Л.Ю. Угроза из глубины XXI век. Хабаровск: Хабаровская краевая типография, 2011. 277 с.
2. http://rucool.marine.rutgers.edu/atlantic/ (дата обращения: 19.10.
2015).
3. http://www.acsa-alcen.com/sites/acsa alen.com/files/pdiynews/ marinetechno-logyreporter-2014-02.pdf (дата обращения: 25.10.2015).
4. http://liquidr.com/resdown/resources/case-studies/pacx.html (дата обращения: 29.10.2015).
Наумов Леонид Анатольевич, чл.-корр. РАН, науч. руководитель, [email protected]. ru, Россия, Владивосток, Институт проблем морских технологий ДВО РАН,
Илларионов Геннадий Юрьевич, д-р техн. наук, проф., ВрИО директора, illa-rionovamarine .febras.ru, Россия, Владивосток, Институт проблем морских технологий ДВО РАН,
Лаптев Константин Зотеевич, зам. дир. по инновационным вопросам, lap-/evamarine.febras.ru, Россия, Владивосток, Институт проблем морских технологий ДВО РАН,
Бабак Александр Владимирович, вед. инженер, babakamarine.febras. ru, Россия, Владивосток, Институт проблем морских технологий ДВО РАН
TO THE QUESTION OF THE PRINCIPLES OF PLANNING AND FEATURES OF FORMATION OF GLOBAL ROUTES OF INDEPENDENT
UNDERWATER ROBOTS
L.A. Naumov, G. Yu. Illarionov, K.Z. Laptev, A.V. Babak
Development of underwater technologies and essential achievements in the field of power stations, provide significant increase in autonomy of uninhabited submersibles. In this regard planning and formation of distant ocean routes for the independent uninhabited submersibles in interests of hydrographic researches play an important role. Process of preparation and planning of distant ocean routes for ANPA, has a number of features which account will allow to provide performance of objectives.
Key words: ocean route, independent uninhabited submersible, performance of objectives, underwater robotic complex.
Naumov Leonid Anatolyevich, corresponding member of the Russian Academy of Sciences, research supervisor, [email protected], Russia, Vladivostok, Far Eastern of Russian Academy of Sciences Institute of Marine Technology Problems,
Illarionov Gennady Yuryevich, doctor of engineering, professor, ACTING director of IPMT DVO Russian Academy of Sciences, illarionovamarine .febras. ru, Russia, Vladivostok, Far Eastern of Russian Academy of Sciences Institute of Marine Technology Problems,
89
Laptev Konstantin Zoteevich, deputy director for innovative questions, [email protected]. ru, Russia, Vladivostok, Far Eastern of Russian Academy of Sciences Institute of Marine Technology Problems,
Babak Alexander Vladimirovich, leading engineer, [email protected]. ru, Russia, Vladivostok, Far Eastern of Russian Academy of Sciences Institute of Marine Technology Problems
УДК 629.584, 004.932.2
СОЗДАНИЕ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПОДВОДНОЙ НАВИГАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
МАШИННОГО ЗРЕНИЯ
М.С. Катулин, Л.Л. Перевощиков, С.Г. Шумков
Разработан прототип аппаратно-программного комплекса для навигации автономного необитаемого подводного аппарата в терминал с использованием системы машинного зрения. В рамках первого этапа демонстрируется принципиальная возможность реализации такого подхода на примере работы с синтетическим изображением терминала в виде эллиптического объекта. Обнаружение в кадре и определение параметров эллиптических объектов являются важной задачей как машинного, так и компьютерного зрения, находящей широкое практическое применение. Важной составляющей разработки был отказ от использования сторонних библиотек компьютерного зрения в пользу собственных алгоритмов.
Ключевые слова: аппаратно-программный комплекс, навигация, автономный необитаемый подводный аппарат, машинное зрение.
Работа проводилась в рамках разработки аппаратно-программного комплекса (АПК) для навигации в терминал автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) с помощью машинного зрения. Разрабатываемый АПК, состоящий из электронных средств передачи изображения и запрограммированного вычислительного устройства, предназначен для интеграции в системы АНПА, осуществляющие расчет траектории и управление механикой при маневрировании. Движение АНПА к терминалу до его полного появления в области видимости осуществляется при помощи специальных средств наведения. Когда терминал в кадре может быть достоверно обнаружен и идентифицирован, наведение на терминал производится по результатам работы машинного зрения. Дистанция до терминала при наведении по зрению изменяется от нескольких метров до нескольких десятков сантиметров. Известно, что для такого диапазона расстояний прозрачность морской воды практически не влияет на качество получаемого
90
