CC BY
16
100 лет высшему инженерному образованию на Дальнем Востоке
В ноябре этого года Инженерная школа ДВФУ отметила 100-летие высшего инженерного образования на Дальнем Востоке. Надеемся, что нашим читателям будет интересно прочесть не только научные статьи по своему профилю, но и эту журнальную студенческую публикацию о том, как готовят инженерных кадров, каков потенциал студентов и аспирантов и кто придет на смену, например, сегодняшним разработчикам телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов.
КОМАНДА ДВФУ ЗАНЯЛА ПЕРВОЕ МЕСТО В СОРЕВНОВАНИЯХ «АКВАРОБОТЕХ-2018» СО СВОЕЙ РАЗРАБОТКОЙ -ТНПА «СОКОЛ ТЫСЯЧЕЛЕТИЯ»
За последние полвека подводная робототехника совершила огромный скачок от пилотируемых субмарин до автономных подводных аппаратов. Сегодня их применяют для различных целей исследования Мирового океана - в области гидрологии, геологии морского дна, биологии, промысловой океанологии и т.п. В военных целях - для охраны морских акваторий, в поисково-спасательных операциях и в операциях разминирования водных объектов. Учитывая стратегическую значимость данной тематики для развития образовательного и научно-технического потенциала, в нашей стране с 2002 г. и на протяжении 16 лет проводятся ежегодные соревнования по подводной телеуправляемой робототехнике под эгидой международной некоммерческой организации MATE (Marine Advanced Technology Education) и MTS (Marine Technology Society). Каждый год география соревнований расширяется, сегодня существует 31 представитель, который проводит региональные этапы соревнований. Соревнования нацелены на формирование профессиональных навыков, касающихся многих сфер в области подводной робототехники, начиная от программирования и проектирования механизмов, заканчивая компетенциями в области проектного управления.
Прошли первые всероссийские соревнования по телеуправляемой и автономной подводной робототехнике на базе Дальневосточного федерального университета при поддержке Фонда перспективных исследований «Аквароботех-2018», в них приняло участие девять студенческих команд из Санкт-Петербурга, Владивостока, Севастополя, Новосибирска и Северодвинска.
В этих соревнованиях успешно выступила команда ДВФУ при поддержке Института проблем морских технологий (ИПМТ) ДВО РАН со своим новым аппаратом «Сокол тысячелетия»: она заняла первое место в классе студенческих телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов (ТНПА).
ТНПА «Сокол тысячелетия»
Конструкция аппарата, разработанного командой, выбрана в соответствии с классическим составом подводных аппаратов этого класса: несущая рама, движительно-рулевой комплекс, блок электроники и видеокамера. Общий состав оборудования представлен на рис. 1, основные характеристики аппарата - в таблице.
Конструктивной особенностью представленного аппарата является механизм управления статическим креном, позволяющий стабилизировать аппарат по крену независимо от работы ДРК - движительно-рулевого комплекса (рис. 2).
Аппарат дополнительно оснащен специальной защитой в виде металлического кольца по внешнему периметру и полосами из оргстекла, которые защищают подвижные элементы механизма управления статическим креном и движители от возможных столкновений с подводными объектами.
Манипулятор
Рис. 1. Общий состав оборудования аппарата. Тактико-технические характеристики ТНПА «Сокол тысячелетия»
Показатели Значения
Масса, кг 9,6
Диаметр, мм 640
Высота, мм 26
Максимальная скорость продольного хода, м/с 1,0
Максимальная скорость вертикального хода, м/с 0,6
Емкость батареи, А.ч 18
Время работы без подзарядки, ч до 60
Тип кабеля оптический
Рис. 2. Демонстрация управления статическим креном.
В соответствии с задачами аппарата, направленными на обеспечение возможности прохождения узких разломов и расщелин (порядка 300 мм), несущая рама выполнена с минимальным размером по вертикальной оси. Таким образом, была определена плоская подковообразная форма несущей рамы с расположением на ней всего ДРК, что стало возможным благодаря применению листового полипропилена толщиной 15 мм.
Достаточная жесткость рамы обеспечена дополнительными поперечными ребрами жесткости, являющимися одновременно хомутами фиксации блока электроники. Внешний диаметр рамы составляет 480 мм, а с учетом защитных сегментов - 700 мм.
Соревнования «Аквароботех-2018»
Техническое задание на проектирование подводного аппарата было составлено в соответствии с регламентом соревнований. Организатором соревнований «Аквароботех-2018» являлся Фонд перспективных исследований. Соревнования проводились в два этапа по следующим направлениям: телеуправляемые и автономные необитаемые подводные аппараты
разработчиков и производителей (1 этап) и телеуправляемые и автономные аппараты студенческих команд (2 этап). Цель соревнований студенческих команд - поиск и определение среди аспирантов и студентов инновационных прорывных технических и технологических идей. Каждая команда участвовала в нескольких разделенных по сложности конкурсных заданиях (рис. 3 и 4).
Рис. 3. Компоновка заданий, представленная организаторами.
Рис. 4. Участие команды ДВФУ в соревнованиях «Аквароботех-2018». Фото: сайт организатора соревнований:
https://fpi.gov.ru/press/news/akbaroboteh_2018_dnevnik_sorevnovaniy2
Задание № 1. Обход объекта. В ходе задания командам требовалось обнаружить затопленный объект и обойти его по периметру. После завершения задания ТНПА должен вернуться в точку старта. В этом задании команды демонстрировали возможность ведения осмотровых работ аварийных объектов.
Задание № 2. Идентификация. Задача включала в себя поиск надписи и стабилизацию аппарата перед ней в течение нескольких секунд. В этом задании необходимо продемонстрировать способность разработанных ТНПА стабилизировать свое положение в пространстве и ориентироваться под водой.
Задание № 3 Перенос фланца. Аппарат должен захватить манипулятором фланец с присоединенным имитатором трубопровода и доставить его в заданный контур. После этого требовалось вернуться по фалу обратно и провернуть вентиль условного трубопровода на 360°.
Задание № 4. Доставка маркера к затонувшему объекту. Требовалось перенести маркеры со специальной платформы в корзину, расположенную на затонувшем объекте. В задании проверялась управляемость разработанного подводного аппарата, а также возможность производства высокоточных манипуляций с донными объектами.
Произвольная программа
Главная особенность соревнований - произвольная программа. В первую очередь она была направлена на демонстрацию уникальных возможностей аппаратов, которые не были показаны в ходе обязательных заданий. Свобода выбора в дополнительных миссиях стимулировала студентов к проектированию в аппарате тех возможностей перспективной техники и оборудования, которые будут применены в аппаратах промышленного класса для решения различных задач.
В произвольной программе произведена попытка представить задачи, которые актуальны при реальной эксплуатации ТНПА в процессе обследовании затонувших кораблей. Поэтому каждое разработанное приспособление или особенность аппарата направлены на выполнение отдельной миссии произвольной программы. Все четыре миссии были объединены общим принципом - работа по обследованию затонувших объектов.
Первая миссия заключалась в демонстрации возможности прохождения аппарата через узкие проходы, геометрически похожие на разломы и трещины в обшивках затонувших кораблей. Здесь применена возможность управления аппаратом по крену. На рис. 5 показана модель препятствий, имитирующих затонувший корабль
Рис. 5. Модель препятствий, имитирующих затонувший корабль.
Задача второй миссии - показать возможность автономного выхода аппарата к точке старта в условиях разрыва связи с оператором. Это позволит предотвратить потерю ТНПА при случайном разрыве или повреждении кабеля связи об острые края обшивки судна.
Задача третьей миссии - эвакуация обесточенного подводного оборудования со дна к точке старта. Для этого команда разработала технологию подъема затонувших объектов. Дополнительно были спроектированы, изготовлены и установлены элементы системы аварийной эвакуации затонувших объектов, показавших свою практическую применимость.
Задача четвертой миссии - инспекция стенки топливного танка имитатором толщиномера и визуализация распределения толщины на посту телеуправления с привязкой к чертежу судна.
Процесс подготовки команды
Изначально студенты работали над проектом «Создание модели малогабаритного телеуправляемого подводного аппарата» в рамках дисциплины «Проектная деятельность». В основном это были студенты 2 курса Инженерной школы ДВФУ различных специальностей бакалаврской подготовки (мехатроника и робототехника; кораблестроение, океанотех-ника и системотехника объектов морской инфраструктуры; конструкторско-технологическое обеспечение производства; автоматизация технологических процессов; технологическое обеспечение машиностроительного производства). В течение осеннего семестра студенты прослушали лекции и выполнили практические задания по подводной робототехнике.
Начиная с весеннего семестра из указанной группы студентов, особо отличившихся в рамках проектной деятельности, сформировали команду по подготовке к соревнованиям «Аквароботех-2018», в которую затем включили студентов 2 и 3 курса из смежных с обла-
стью робототехники специальностей (прикладная математика и информатика; конструирование радиоэлектронной аппаратуры).
На первом этапе подготовки студенты учились распределять ответственность, работать в команде, определять приоритеты и прогнозировать возможные затруднения при создании нового аппарата. Для этого они изучали основы подводной робототехники, используя ТНПА Tortuga, разработанного для участия в международных соревнованиях MATE ROV Competition 2014. Аппарат был изучен и модифицирован для участия в региональных соревнованиях MATE ROV Competition 2018 (рис. 6). Это позволило сплотить команду и задать установку на победу в предстоящих соревнованиях.
Рис. 6. Процесс подготовки и участия в соревнованиях MATE ROV Competition 2018.
Второй этап - применение полученного опыта и знаний в разработке собственного подводного аппарата. Здесь в основной состав дополнительно вошли аспиранты 1 года обучения: университетская команда была полностью сформирована.
Для большей эффективности работы над аппаратом команду разделили на три группы: электронщики, механики и программисты. За каждой группой закрепили опытного наставника из сотрудников ИПМТ ДВО РАН. Вопросы командного взаимодействия решались на еженедельных собраниях, проходивших в Центре проектной деятельности ДВФУ. Значительная часть работ по проектированию и разработке аппарата и его систем выполнена студентами в мастерских и лабораторных помещениях ИПМТ ДВО РАН.
Работа со студентами организована в проектном режиме, глобальные задачи разбили на подзадачи, которые студенты могли выполнить самостоятельно. Основная роль наставников - активное обучение студентов на примерах работы подсистем реальных подводных аппаратов ИПМТ ДВО РАН, разъяснение возникающих вопросов, а также обучение культуре производства и трудовой дисциплине.
Помощь в подготовке команды оказывали не только закрепленные наставники, но и многие другие научные сотрудники и инженеры ИПМТ, а также сотрудники центра проектной деятельности ДВФУ и другие специалисты, имеющие опыт международных соревнований по подводной робототехнике.
Телеуправляемый необитаемый подводный аппарат «Сокол тысячелетия», созданный для соревнований «Аквароботех-2018» студентами ДВФУ при поддержке наставников из ДВФУ и ИПМТ ДВО РАН, занял первое место на прошедших соревнованиях, а реализованные в ходе разработки инженерные решения были по достоинству оценены жюри соревнований специальным призом Объединённой судостроительной корпорации. Студенты, ставшие соавторами разработанных инженерных решений (механизм изменения статического крена, батарейный модуль, двухосевая подвес для видеокамеры), получили опыт командной работы, профессиональные знания и умения, выходящие за пределы образовательных программ.
Особо стоит перечислить вклад членов команды в создание аппарата: А.Ю. Толстоногов -разработка и реализация системы управления аппаратом; А.Ю. Быканова - проектирование общей конструкции аппарата и принцип изменяемого статического крена; В.А. Стороженко - создание общей схемотехнической компоновки аппарата, разработка батарейного модуля; М.В. Синцов - разработка и изготовление электрической и силовой части системы управляемого статического крена. И.А. Чемезов - проектирование и реализация механики и электроники поверхностного коммутационного блока. А.С. Себто - монтаж электрических плат, разработка модулей управления питанием; И.В. Филонов - изготовление конструкции аппарата и всех элементов крепления; Е.С. Донец - проектирование и реализация платы управления аппаратом; М.А. Дзяман -программирование драйверов нижнего уровня для подводного аппарата.
А.Ю.ТОЛСТОНОГОВ, аспирант1, научный сотрудник2, e-mail: [email protected]
A.Ю. БЫКАНОВА, к.т.н., доцент, научный сотрудник2,
B.А. СТОРОЖЕНКО, научный сотрудник2, аспиранты А.Ю. СЕБТО2, И.В. ФИЛОНОВ1,
студенты1 Е.С. ДОНЕЦ, М.А. ДЗЯМАН, М.В. СИНЦОВ, И.А. ЧЕМЕЗОВ
1Дальневосточный федеральный университет Суханова ул. 8, Владивосток, 690091 2Институт проблем морских технологий ДВО РАН Суханова ул. 5а, Владивосток, 690091
The FEFU TEAM DEVELOPED NEW ROV MILLENNIUM FALCON and WON the FIRST PLACE at the AQUAROBOTECH-2018 CHALLENGE
Abstract: Currently, underwater research and robotics are among the priority areas for technological development in the Russian Federation. These developments are necessary both to strengthen the country's defense, as well as for geological exploration and underwater gas and oil production. Given the importance of works in this area for the development of existing scientific, technical, industrial and educational potential, national and international competitions are held in various classes of underwater vehicles.
This year, the first All-Russian competition in underwater robotics AquaRoboTech-2018 took place in FEFU. The student team of FEFU took first place in this competition among the student remotely operated vehicles.
The article presents the development of the Millennium Falcon remotely operated vehicle. Authors analyze experience gained during preparation. The technical characteristics of the vehicle and its design and main features are described in detail. Briefly describes the competition AquaRoboTech-2018. Keywords: remotely operated vehicle, propulsion system, AquaRoboTech-2018, project activity.
ANTONTOLSTONOGOV, Researcher2 (andPostgraduate1), email: [email protected], ANNA BYKANOVA, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Researcher2, VITALY STOROZHENKO, Researcher, postgraduates2ALEXANDRA SEBTO, postgraduates1 IVANFILONOV, students EKATERINA DONETS, MAXIMDZYAMAN, MAXIMSINTSOV, IVAN CHEMEZOV 1Far Eastern Federal University 8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690091 2Institute of Marine Technology Problems FEB RAS 5a Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690091
