CC BY
20
УДК 910.22; 910.27; 910.3
Д.С. Дудакова, М.О. Дудаков, В.И. Анохин
Институт озероведения РАН, mike814@yandex.ru, vladanokhin@yandex.ru
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ГЛУБОКОВОДНОГО ТЕЛЕУПРАВЛЯЕМОГО АППАРАТА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ЛАНДШАФТОВ
ЛАДОЖСКОГО ОЗЕРА
На базе Института озероведения РАН спроектирован и создан опытный образец подводного аппарата; после проведения серии успешных испытаний стало возможным применить его для изучения подводных ландшафтов Ладожского озера. В ходе опытно-методических работ с применением аппарата доказана его высокая эффективность, получены первые значимые научные данные о состоянии подводных ландшафтов Ладожского озера.
Ключевые слова: телеуправляемый необитаемый подводный аппарат; подводные исследования; подводные ландшафты; Ладожское озеро.
Введение
Экологическое состояние окружающей среды прямо зависит от параметров природной среды, в том числе от характеристик ландшафтов. Оценка и прогнозирование состояния экосистем невозможны без предварительного изучения ландшафтов, с которыми связаны эти экосистемы. Ландшафтные характеристики являются основой большинства экологических построений. Совершенствование методик изучения ландшафтов влечет за собой повышение качества экологических оценок и построений.
Институт озероведения РАН много лет занимается изучением донных ландшафтов континентальных водоемов, в том числе Ладожского озера. За это время накоплен немалый опыт таких исследований, создаются новые методики. В частности, в течение последних 3-х лет создан опытный образец подводного аппарата Limnoscout-230, успешно применяемый сейчас для изучения донных ландшафтов.
Телеуправляемые необитаемые подводные аппараты (ТНПА) показали свою высокую эффективность при выполнении многих видов подводных работ (Данцевич, Тарасенко, 2012). В частности, они применяются для исследования геоморфологических и геологических особенностей дна, изучения биоты (Бадулин, 2010; Сагалевич, 2013). На современном этапе они, в основном, используются в практике морских исследований (Айбулатов, 2006; Бахарев и др., 2015); в отечественной лимнологии наиболее известно применение этих аппаратов при исследованиях оз. Байкал (Сагалевич, 2013). ТНПА - одна из наиболее
важных и быстропрогрессирующих областей микроробототехники (Дмитриев и др., 2009). Динамика развития этого направления во многом обусловлена качественным ростом современных электронных технологий, как в области самой элементной базы, так и в области упрощения создания программного обеспечения для неё.
Создание специализированной платформы ТНПА для решения конкретного круга научно-исследовательских задач и мониторинга водных объектов позволяет максимально эффективно справляться с ними. В данной статье приводится опыт применения разработанного нами ТНПА Limnoscout-230 для исследования подводных ландшафтов Ладожского озера.
Оборудование и методы
ТНПА Limnoscout-230 функционально состоит из следующих блоков (рис 1): погружаемая часть (несущая стальная рама с управляющей частью, аккумуляторами, моторами и полезной нагрузкой); интерфейс радио-кабель (может находиться как на судне, так и на отдельном буе); пульт управления; видеомонитор; усиленный коаксиальный кабель.
Рис. 1. Функциональная схема ТНПА Limnoscout-230
Команды оператора через пульт управления по радио в цифровой форме (диапазон 2.4 ГГц) принимаются интерфейсным модулем (при этом модуль может находится на буе на расстоянии до 1000 м от оператора) и преобразуются в данные для передачи по кабелю под воду (интерфейс RS-485). Микроконтроллер подводной части аппарата анализирует полученные данные и, при отсутствии в них ошибок, отдаёт соответствующие команды двигателям. Подводный ландшафт снимают одновременно три видеокамеры: общего обзора с фокусировкой на дистанцию, определяемую прозрачностью воды, макрокамера с фокусировкой порядка 8-10 см для съемки мелких объектов и целеуказательная камера, настройки которой оптимальны для оператора управляющего ТНПА. Видео с целеуказательной камеры передается оператору в аналоговом виде с целью минимизировать задержку изображения (для исключения помех передача видео идёт в диапазоне 5.8 ГГц и не пресекается с данными команд). Представленная схема отличается от классической, используемой в большинстве ТНПА, наличием радио-интерфейса, что несколько ее усложняет, но благодаря чему достигается большая эффективность использования аппарата.
При компоновке основных узлов погружаемой части ТНПА был выбран вариант хорошо себя зарекомендовавшей схемы, состоящий из следующих основных элементов (рис. 2):
1) пространственная прямоугольная рама;
2) четыре бесколлекторных двигателя, два из которых осуществляют перемещение и повороты в горизонтальной плоскости, два других -заглубление, либо всплытие ТНПА. Суммарная мощность двигателей 1200 Вт;
3) два блока свинцово-кислотных аккумуляторов общей ёмкостью 48 А.ч;
4) блок управления на базе микроконтроллера ATMEL Mega 328;
5) три видеокамеры;
6) специализированная светодиодная
Рис. 2. Схема компоновки основных элементов ТНПА
подсветка.
Количество воздушных полостей в ТНПА сведено к минимуму (это только отсеки видеокамер и поплавки), а значит, к минимуму сводится и вероятность разрушения частей аппарата под давлением воды. Стальная рама обеспечивает устойчивость аппарата к неизбежным столкновениям с камнями при низкой прозрачности воды. Все это в совокупности значительно повышает живучесть ТНПА.
При активном режиме аппарату придается незначительная положительная плавучесть, которую компенсируют вертикальные двигатели; в этом случае вода винтами отбрасывается вверх, что исключает поднятие взвеси. При пассивном использовании плавучесть отрицательна и глубина задаётся буксирным тросом либо аппарат опускается на дно.
Благодаря нижнему расположению свинцово-кислотных аккумуляторов аппарат имеет очень высокую устойчивость, что на практике позволяет буксировать его за судном (лодкой) для экономии заряда аккумуляторов.
По результатам испытаний были получены основные характеристики ТНПА Limnoscout-230 (табл.).
Результаты и их обсуждение
В 2017 - 2018 гг. в различных районах Ладожского озера проводились опытно-методические работы по использованию ТНПА Limnoscout-230 для изучения подводных ландшафтов. В процессе этих работ выявлена высокая информативность подводного фототелепрофилирования в комплексе с эхолотированием. Особенно эффективен для этой цели оказался вариант буксировки ТНПА за лодкой, позволяющий производить качественную сьёмку профиля на большом протяжении. В течение 2-х лет этот аппарат последовательно испытывался на все больших глубинах; к настоящему моменту досигнута глубина 50 м. В дальнейшем ТНПА планируется использовать на всей акватории озера, на всем диапазоне глубин.
В настоящее время получены первые результаты для прибрежной зоны. На рисунке 3 показаны треки, профили дна и некоторые донные фотографии по фототелепрофилям, отработанным в 3-х районах Ладожского озера: «Райпатсаари», «Хунукка» (северо-восточное побережье) и «Ильинский» (юго-восточное побережье).
На участке «Райпатсаари» профиль проходил между берегом острова Райпатсаари и подводным продолжением соседнего острова Лусикайнлуото;
52
РШПЙ ЖУРИНЯ ПРНИИ 1И
Таблица. Основные технические характеристики ТНПА Limnoscout-230
Максимальная рабочая глубина, м Достигнута 50 м Расчётная 300 м
Размеры (ДхШхВ), мм 440х400х300 мм
Вес системы на воздухе 28 кг + кабель
Двигатели 4 двигателя Общая мощность1200 Вт
Крейсерская скорость (вперед) узлы 1.5 узла
Тяга горизонтальная 8 кгс
Тяга вертикальная 8 кгс
Грузоподъемность 5 кг
Время автономной работы при типовой нагрузке мин. 90 мин.
Защита подводного модуля Рама, сталь
на профиле дна видна корытообразная форма этого «пролива» с 3-мя уровнями симметричных террас. Фотографии дна показывают характерные виды ландшафтов, соответствующих
определенным глубинам: крупнообломочные отложения на мелководье, более мелкие обломки на склонах и песок со знаками ряби в глубокой части корытообразной долины.
Профили на участке «Хунукка» проходят по проливу между полуостровом Хунукка и островами Пеллотсаари и Мякисало. На эхолотных профилях видно общее строение дна: пологая возвышенность с плавно изгибающимися склонами (Хунукка-1) и склон дна пролива, осложненный впадинами (Хунукка-2). На фотографиях дна видны коренные выходы (справа), характерные для прибрежного склона, крупнообломочные отложения, устилающие наибольшую часть дна в проливе и песчаное дно, характерное для наиболее глубоких частей пролива.
Участок «Ильинский» расположен у юго-восточного берега озера, профиль проходит от прибрежного мелководья в открытое озеро. На полого опускающемся дне видны 3 террасовых уровня; фототелепрофилирование показывает с ростом глубины чередование песчаных и крупнообломочных отложений, по-видимому, располагающихся полосами, субпараллельными береговой линии.
Применение ТНПА Limnoscout-230 для изучения подводных ландшафтов находится на опытно-методической стадии. Тем не менее, этот аппарат уже принес значимые научные
результаты, новые данные о строении дна Ладожского озера. Представленные иллюстрации есть лишь малая часть очень обширного объема данных, полученных за период испытаний ТНПА.
Заключение
Разработан проект и создан опытный образец исследовательского ТНПА, пригодного для проведения работ на континентальных водоемах, в частности, на Ладожском озере. Конструкция показала эффективность принятых технических решений и схем.
Преимущества конструкции ТНПА Limnoscout-230:
- возможность установки на платформу нужного комплекта оборудования, в том числе с передачей данных в реальном времени;
- возможность использования аппарата как с моторных плавсредств, так и с небольшой вёсельной лодки, либо с берега на расстоянии до 1000 м;
- возможность работы как в активном, так и пассивном варианте (за счёт движения плавательного средства);
- устойчивость конструкции к ударам о камни, скалы и т.д., что крайне важно при работе в водоёмах с низкой прозрачностью;
- легкость зарядки в полевых условиях от стандартного автомобильного аккумулятора;
- транспортировка, спуск на воду, подъём на борт не требуют никакого дополнительного оборудования.
ТНПА Limnoscout-230 позволяет решать ряд задач по изучению донных ландшафтов, таких,
Участок «Райпатсаари»
Участок «Хунукка»
Участок «Ильинский»
Рис. 3. Результаты подводного фототелепрофилирования в комплексе с эхолотированием
например, как изучение распределения донных грунтов, биоты (макрофитов, крупного бентоса, ихтиофауны) в широком диапазоне глубин (от 0 до максимальных) и др.
В процессе опытно-методических работ выявлен ряд новых фактов о донных ландшафтах Ладожского озера, в частности:
- наличие 3-х уровней террас на профиле пролива между островами Райпатсаари и Лусикайнлуото, что, вероятно, характерно для всего шхерного района Ладожского озера;
- спорадическое распространение
крупнообломочных донных отложений вдоль проливов в шхерном районе (участок Хунукка);
- чередование полос крупнообломочных и песчаных отложений вдоль подводных склонов пологих аккумулятивных берегов в юго-восточной части озера (участок Ильинский).
Работа выполнена в рамках государственного задания ИНОЗ РАН по теме № 3 - № 01542018-0003 «Изучение геоморфологических и геологических особенностей дна Ладожского озера» (№ гос. регистрации 01201363379).
Список литературы
1. Айбулатов Н.А. Вижу дно. К истории подводных исследований в России. М.: Наука, 2006. 172 с.
2. Бадулин В.В., Тишкова Т.В. Телеуправляемые подводные аппараты и видеосистемы для рыбохозяйствен-ных исследований (по результатам выставки «Oceanology intemational-2010») // Рыбное хозяйство. 2010. №6. С. 76-79.
3. Бахарев С.А., Карасев В.В., Карасев А.В. Использование автономных необитаемых подводных аппаратов в процессе изучения Мирового океана // Научные труды Дальрыбвтуза. Владивосток, 2015. С. 47-49.
4. ГОСТ Р 56960-2016. Аппараты необитаемые подводные. Классификация.
5. Данцевич И.М., Тарасенко А.А. Полуавтоматическое управление телеуправляемыми подводными аппаратами в задачах обследования подводных трубопроводов // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. 2012. №12. С. 42-47.
6. Дмитриев Ю.А., Корецкий В.В., Попов Е.А., С.В. Смирнов Телеуправляемый подводный аппарат «Comanche»: задачи и возможности // Вестник Дальневосточного государственного технического университета. 2009. №2(2). С. 132-142.
7. Сагалевич А.М. Глубоководные обитаемые аппараты в научных исследованиях Байкала // Вестник ИРГСХА. 2013. Т.1, №57. С. 141-153.
D.S. Dudakova, M.O. Dudakov, V.I. Anohin. Experience of application of a deep water remotely operated vehicle (rov) for studying the underwater landscapes of the Lake Ladoga.
A prototype of a deep-water remotely operated underwater vehicle was designed and created on the basis of the Institute of Limnology of the Russian Academy of Sciences; after a series of successful tests, it became possible to apply it to study the underwater landscapes of the Lake Ladoga. High efficiency of the apparatus was proved in the course of experimental work, the first significant scientific data on the state of underwater landscapes of the Lake Ladoga were obtained.
Keywords: remotely operated underwater vehicle; underwater research; underwater landscapes; Lake Ladoga.
54
российский журннл им! экологии
Информация об авторах
Дудакова Дина Сергеевна, кандидат биологических наук, научный сотрудник, Институт озероведения РАН, 196105, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Севастьянова, 9, E-mail: judina-d@yandex.ru.
Дудаков Михаил Олегович, инженер, Институт озероведения РАН, 196105, Россия, г Санкт-Петербург, ул. Севастьянова, 9, E-mail: mike814@yandex.ru.
3. Анохин Владимир Михайлович, доктор географических наук, ведущий научный сотрудник, Институт озероведения РАН, 196105, Россия, Санкт-Петербург, ул. Севастьянова, 9; E-mail: vladanokhin@yandex.ru.
Information about the authors
Dina S. Dudakova, Ph.D. in Biology, Researcher, Institute of Limnology, Russian Academy of Sciences, 9, Sevast'yanovast., St. Petersburg, 196105, Russia, E-mail: judina-d@yandex.ru.
Mikhael O. Dudakov, Engineer, Institute of Limnology, Russian Academy of Sciences, 9, Sevast'yanovast., St. Petersburg, 196105, Russia, E-mail: mike814@yandex.ru.
Vladimir M.Anokhin, Sc.D. in Geography, Leader Researcher, Institute of Limnology, Russian Academy of Sciences, 9, Sevast'yanovast., St. Petersburg, 196105, Russia, E-mail: vladanokhin@yandex.ru.
