CC BY
29
Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2009 год № 2 (2)
05.00.00 Технические науки
УДК 629.127
А.Ю.Быканова, В.В.Костенко, А.Ф.Щербатюк, Н.А.Найденко, Д.Н.Михайлов, С.А.Мун, Д.Н.Родькин, Ф.С.Дубровин, Ю.Р.Дубовой, А.А.Коваленко
Быканова Анна Юрьевна - канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник ИПМТ ДВО РАН. E-mail: [email protected]
Костенко Владимир Владимирович - канд. техн. наук, доцент, заведующий лабораторией ИПМТ ДВО РАН. E-mail: [email protected]
Щербатюк Александр Федорович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой подводной робототехники ДВГУ, заведующий лабораторией ИПМТ ДВО РАН. E-mail: [email protected]
Найденко Николай Александрович - стажер-исследователь ИПМТ ДВО РАН.
Михайлов Денис Николаевич - инженер ИПМТ ДВО РАН.
Мун Сергей Алексеевич - заведующий лабораторией автономных необитаемых подводных аппаратов ДВГУ.
Родькин Денис Николаевич - инженер ИПМТ ДВО РАН.
Дубровин Федор Сергеевич, Дубовой Юрий Русланович, Коваленко Алексей Анатольевич - студенты ИФИТ ДВГУ.
О ПРОЕКТЕ СОЗДАНИЯ СТУДЕНЧЕСКОЙ КОМАНДЫ ПО ПОДВОДНОЙ РОБОТОТЕХНИКЕ НА БАЗЕ ИПМТ ДВО РАН
В статье приведены основные положения описываемого проекта. Рассмотрены вопросы, связанные с формированием и подготовкой студенческой команды г. Владивостока по подводной робототехнике, а также описан разработанный вариант подводного аппарата.
Ключевые слова: подводный робототехнический комплекс, движительно-рулевой комплекс, пилотажные датчики, телеуправляемый необитаемый подводный аппарат.
Anna Y. Bykanova, Vladimir V. Kostenko, Alexander F. Scherbatyuk, Nikolay A. Naidenko, Denis N. Mihailov, Sergey A. Moon, Denis N. Rodkin Fedor S. Dubrovin, Yury R. Dubovoy, Alexey A. Kovalenko PROJECT OF A STUDENT TEAM IN UNDERWATER ROBOTICS AT FAR EASTERN BRANCH OF THE RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES
The paper covers the conceptual issues of the project described. The authors analyze the problems of the formation and training of Vladivostok underwater robotics student team and also describe the design of the underwater vehicle developed.
Key words: underwater robotic system, propulsion and steering system, piloting sensors, remotely-controlled autonomous underwater vehicle.
За последнее десятилетие в мире возрос интерес к разработке необитаемых подводных аппаратов. Это связано со значительным технологическим прогрессом в области подводной робототехники и с существенным расширением круга задач, решаемых с помощью подводных аппаратов. Многие развитые страны, особенно имеющие выход к морю, вкладывают значительные финансовые ресурсы в создание собственных технических разработок в этой области.
Одним из видов деятельности в данном направлении является поиск новых технических решений и привлечение талантливой молодежи путем создания студенческих команд и проведения национальных и международных соревнований подводных аппаратов разных классов [1].
В июне 2009 г. в США состоялись восьмые ежегодные международные студенческие соревнования в классе телеуправляемых подводных аппаратов -ROV (Remotely Operated Vehicle), которые проводятся под эгидой международных организаций MATE (Marine Advanced Technology Education) и MTS (Marine Technology Society). Первоначально соревнования были национальными, в них участвовали только команды из США, но уже в 2006 г. им был присвоен статус международных. За четыре последующих года на состязания приезжали команды из Канады, Пакистана, Шотландии, Китая, Ирана, Японии и России (рис. 1, 2).
Рис. 1. Ежегодные международные студенческие соревнования в классе ROV
Рис. 2. Бассейн Массачусетской морской академии (США) - место проведения студенческих соревнований в классе ROV. 2009 г.
С каждым годом масштабы соревнований увеличиваются, в 2009 г.
количество команд, принявших участие в соревнованиях (в том числе и
региональных), превысило 300. А это несколько тысяч активных студентов и
школьников со всего мира, увлеченных подводной робототехникой.
По установленным правилам участники соревнований делятся на три
возрастные группы (класса): Explorer, Ranger и Scout. От класса зависит
145
сложность миссий и некоторые технические требования. Команды Explorer -это университетские команды, Ranger - школьные команды старших и средних классов, а Scout - это школьные команды начальных классов. Однако представленное деление не является жестким. Так, например, в классе Explorer участвует несколько школьных команд, которые достигли значительных результатов.
Целью рассмотренного в статье проекта является создание ROV и подготовка студенческой команды г. Владивостока на базе ИПМТ ДВО РАН для участия в международных соревнованиях по подводной робототехнике «MATE International ROV Competition», а также выявление и обучение способных молодых людей, склонных к работе в области подводной робототехники.
Подготовка команды по подводной робототехнике на базе
ИПМТ ДВО РАН
Команда из студентов ДВГТУ и ДВГУ, проходивших практику в ИПМТ, была организована в конце 2007 г. Участники команды разрабатывали механику подводного аппарата и электронно-программный комплекс (рис. 3). Каждое направление курировалось опытными наставниками из числа сотрудников и аспирантов ИПМТ.
Рис. 3. Члены команды в процессе проектирования и разработки подводного аппарата
Студентам был прочитан вводный курс по элементарным основам подводной робототехники, который включал следующие вопросы:
типы необитаемых подводных аппаратов и структуры входящих в них систем;
корпусная система и используемые для нее материалы, управление плавучестью;
движительно-рулевой комплекс и энергообеспечение;
система управления движением и навигация подводных аппаратов;
измерительные датчики и системы формирования изображений в информационно-измерительном комплексе подводного аппарата.
В июне 2008 г. студенческая команда ИПМТ с разработанным телеуправляемым аппаратом, названным «Юниор», впервые приняла участие в международных соревнованиях «MATE International ROV Competition» (г. Сан-Диего, США) и была признана лучшей среди новичков, а в общем зачете в классе Explorer заняла восьмое место из 28 команд.
В июне 2009 г. студенческая команда ИПМТ второй раз представляла Россию на международных студенческих соревнованиях по подводной робототехнике «MATE International ROV Competition 2009» (г. Бостон, США). Всего в соревнованиях приняло участие 28 команд из 5 стран мира (США, Канада, Великобритания, Китай и Россия). Команда участвовала с реконструированным подводным аппаратом «Юниор» и заняла четвертое место.
Описание текущей версии ROV
Телеуправляемый необитаемый подводный аппарат (ТНПА) «Юниор» (рис. 4) может быть использован для решения широкого круга задач - от макетирования новых элементов в структуре подводного аппарата до проведения обзорных и поисково-спасательных работ. Его характеристики представлены в таблице.
Подводный робототехнический комплекс состоит из ТНПА, судового
комплекса и вспомогательного оборудования (рис. 5). В состав ТНПА входят
носитель, информационно-измерительный и манипуляционный комплексы.
Носитель представляет собой сочетание корпусной системы, контроллера
147
автопилота, блока пилотажных датчиков, контроллера приводов и движительно-рулевого комплекса [3].
Рис. 4. ТНПА «Юниор» в процессе натурных испытаний
Таблица
Тактико-технические характеристики ТНПА «Юниор-200»
Показатели Значения
Масса, кг 26
Длина, мм 640
Ширина, мм 450
Высота, мм 450
Максимальная скорость горизонтального хода, м/с 0.70
Максимальная скорость вертикального хода, м/с 0.30
Максимальная угловая скорость рыскания, град/с 75
Максимальная потребляемая электрическая мощность, Вт 400
Напряжение питания, В (50 Гц) 220
Информационно-измерительный комплекс (ИИК) состоит из
навигационной высокочувствительной ЧБ камеры, цветной поворотной видеокамеры, цветной обзорной видеокамеры, датчика температуры, гидролокатора секторного обзора (опция) и дополнительных датчиков (опция) (датчик растворенного метана, электропроводности и пр.). В манипуляционный комплекс (МК) входят манипулятор-захват, электропривод поворота и лоток для образцов.
В состав судового комплекса входят ЭВМ (ноутбук), джойстик управления, коммутационный блок с мостом и8Б-Я8485, ТУ-тюнер и блок питания аппарата. Вспомогательное оборудование состоит из специализированного кабеля связи и контейнера для транспортировки комплекса [2].
с
судовой комплекс
ТУ-тюнер
Мост
К8485-ШБ
Ноутбук м Джойстик
управления
Блок питания
Кабель связи
ТНПА ЮНИОР
Манипуляционный комплекс
1__
Манипулятор Электропривод Лоток для
захват поворота образцов
НОСИТЕЛЬ
Контроллер
приводов
Движительно-рулевой комплекс
"1
ЛНг
ЛНв
САМ
ПНг 'ЛКг
5 с
ПнВ яКв"
э с
ПКв
Блок пилотажных датчиков
Контроллер
автопилота
<=1
Курсовой ДУС Датчик глубины
Датчик крена дифферента Индукционный компас
Информационно-измерительный комплекс
Светодиодные Датчик \ Гидролокатор !
светильники температуры секторного обзора
ЦВ видеокамера обзорная
ЧБ видеокамера навигационная
ЦВ видеокамера поворотная
Рис. 5. Функциональная схема комплекса
Основные положения проекта
При построении ЯОУ для команды одним из основных было требование
разработки подводного аппарата, соответствующего по классификационным
характеристикам одному из стандартных международных классов ЯОУ
149
(Explorer), среди которых проводятся соревнования. Разработанный ROV должен обеспечивать выполнение всех рабочих миссий в соответствии с условиями соревнований.
Подводный аппарат класса Explorer имеет ограничения на максимальные напряжение 51 В и ток 40 А. Одним из условий соревнований является то, что подводные аппараты должны переноситься по суше, опускаться в воду и подниматься из воды только вручную членами команды, количество которых не должно превышать шести человек.
Традиционно соревнования включают два этапа - защиту проекта и выполнение миссий.
Проект разработанного аппарата защищается перед судьями в 15-тиминутной презентации, в течении которой освещаются следующие вопросы: обоснование выбранной конструкции аппарата и материалов, методы и процессы изготовления конструкций и систем, спецификация аппарата, характеристики каждой из систем, схемы управления и коммерческая стоимость. Помимо презентации, команды готовят технический доклад и постер.
В 2009 г. соревнования были посвящены операциям по спасению затонувших подводных лодок. Рабочая миссия состояла из четырех задач, ограниченных по времени (15 мин).
Задача 1. Обследование макета подводной лодки на предмет повреждений (поиск заранее установленных меток). Для выполнения этой задачи использовалась высокочувствительная черно-белая видеокамера (рис. 6).
Рис. 6. Обследование макета подводной лодки 150
Задача 2. Перенос в подводную лодку средств аварийного
энергообеспечения. Задача включала в себя открытие люка аварийного выхода субмарины, перенос в него пяти макетов специальных контейнеров и закрытие люка. Для выполнения этих задач был спроектирован и изготовлен специальный модуль типа вилки. На рис. 7 показан принцип его работы. Необходимо было произвести посадку на маховик люка таким образом, чтобы выступающие штыри вилки попали в его отверстия, и повернуть маховик на 360° для открытия крышки.
Рис. 7. Перенос средств аварийного энергообеспечения
Задача 3. Пополнение запасов воздуха субмарины. Аппарат должен был доставить с поверхности воздуховод, ввести его в специальный вентильный соединитель и поворотом специального рычага включить подачу воздуха (рис. 8).
Рис. 8. Пополнение запасов воздуха субмарины 151
Задача 4. Разработка и изготовление переходного колокола на подводный аппарат для его стыковки с аварийным спасательным люком. Выполнение этой задачи потребовало переместить одну из камер в вертикальное положение и оснастить аппарат специальным стыковочным устройством с внутренней конической поверхностью. С целью эффективного решения указанной задачи в условиях, ограниченных по времени, стыковочное устройство было выполнено из прозрачного материала (плексиглас), не препятствующего подводному обзору.
Рис. 9. Стыковка с подлодкой с помощью колокола
Универсальность базовой конструкции, созданной в 2008 г., позволила при незначительных изменениях переоборудовать аппарат для выполнения новых задач соревнований 2009 г. Таким образом, опыт показал, что «Юниор» при соответствующей модернизации может выполнять различные задачи, характерные для аппаратов этого класса.
Члены студенческой команды г. Владивостока в настоящее время продолжают работать в области подводной робототехники, а некоторые из них стали наставниками для новых участников команды и готовятся к соревнованиям следующего года.
1. Быканова А.Ю., Костенко В.В., Найденко Н.А., Щербатюк А.Ф. Проект создания команды на базе лицея ДВГТУ под эгидой ИПМТ для разработки ROV и участия в юношеских соревнованиях по подводной робототехнике // Технические проблемы освоения мирового океана: материалы междунар. науч.-техн. конф. Владивосток: Дальнаука, 2007. С. 165-170.
2. Дубровин Ф.С. Модернизация автопилота телеуправляемого необитаемого подводного аппарата «Юниор» // Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике: материалы конф. Владивосток: Изд-во ДВГУ, 2009. С. 102-103.
3. Быканова А.Ю., Костенко В.В., Найденко Н.А., Михайлов Д.Н., Мун С.А., Щербатюк А.Ф. Опыт разработки и результаты испытаний малогабаритного телеуправляемого подводного аппарата «Юниор» // Технические проблемы освоения мирового океана: материалы междунар. науч.-техн. конф. Владивосток: Дальнаука, 2009. С. 84-90.
