CC BY
5УДК 629.584
Р.А. Гараев, А.Д. Змеев
Камчатский государственный технический университет Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: artem.klas10@gmail.com
ПЕРСПЕКТИВА ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДВОДНОГО ДРОНА С УСТАНОВЛЕННОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ КЛЕШНЕЙ
Эксплуатация подводного дрона с установленной механической клешней позволит значительно сократить затраты на выполнение некоторых операций под водой и обеспечить их безопасность. Благодаря механической клешне подводный дрон позволит передвигать объекты под водой, собирать морские растения и образцы грунта. Разработка подводного дрона и механической клешни - это два смежных проекта, целью которых является обезопасить и сделать экономичнее выполнение подводных работ, которые сейчас выполняются высококвалифицированными водолазными командами. В данной статье рассмотрена перспектива эксплуатации подводного дрона с установленной механической клешней с экологической и экономической точек зрения.
Ключевые слова: водная среда, подводный дрон, механическая клешня, техническая функциональность.
R.A. Garaev, A.D. Zmeev
Kamchatka State Technical University Petropavlovsk-Kamchatsky, 683006 e-mail: artem.klas10@gmail.com
THE PROSPECT OF OPERATING AN UNDERWATER DRONE WITH AN INSTALLED MECHANICAL CLAW
Operating an underwater drone with installed mechanical claw will significantly reduce the cost of performing some underwater operations and ensure their safety. Thanks to a mechanical claw, the underwater drone will allow to move objects underwater, collect marine plants and soil samples. The development of the underwater drone and mechanical claw are two related projects which aim is to make underwater work safer and more economical in comparison with highly trained diving teams. The prospect of operating an underwater drone with an installed mechanical claw from an environmental and economic point of view is analyzed in the article.
Key words: aquatic environment, underwater drone, mechanical claw, technical functionality.
Большинство подводных операций на сегодняшний день выполняется водолазными командами, что в свою очередь является очень ресурсозатратным и опасным мероприятием. Ежегодно во время рыбопромыслового сезона научно-исследовательские организации рыбного хозяйства и океанографии проводят исследования с целью анализа и прогнозирования водных биоресурсов [1]. Для этих исследований обычно осуществляют химический и биологический анализ водной среды, а также ведут отчетность популяции морских животных. Добыча соответствующих материалов для научных исследований проводится водолазными командами. К примеру, чтобы получить морские растения, водолазам приходится опускаться под воду и собирать образцы вручную. Далее полученные материалы морских растений используются для прогнозирования изменений в водной среде или в медицинских и агрономических целях. Чтобы поднять образцы грунта морского дна, команде водолазов приходится погружаться на достаточно большие глубины, что является рискованным мероприятием.
В XXI в. человечество стремится к автоматизации и роботизации различных процессов деятельности. Именно поэтому в последнее время набирают широкую популярность беспилотники и дроны. Для безопасности деятельности водолазов следует обратить внимание на эксплуатацию подводных дронов, поскольку именно подводные дроны могут заменить водолазов и выполнять
работу более эффективно [2]. Для полноценного и эффективного использования подводных устройств они должны комплектоваться соответствующим оборудованием и устройствами.
На кафедре «Энергетические установки и электрооборудование судов» в КамчатГТУ активно ведется разработка двух смежных проектов, а именно «Разработка подводного дрона модульной конструкцией» и «Разработка робота-манипулятора, предназначенного для морских условий работы». Цель проектов - снизить фактические затраты на выполнение подводных операций, таких как сбор проб воды и гидробионта, сбор морских растений и образцов грунта. Создание подводного дрона с модульной конструкцией обеспечит выполнение постоянного мониторинга водной биосферы, что положительно скажется на экологическом состоянии региона. Помимо этого, появится возможность осмотра нижней части корпусов судов на предмет коррозии и мониторинга подводных сооружений и систем трубопроводов [3]. В рамках этих двух проектов уже собран макет подводного дрона, фотографии которого представлены на рис. 1.
Рис. 1. Макет подводного дрона модульной конструкции
Корпус макета подводного дрона изготовлен из нержавеющей стали. Макет комплектуется 4 электродвигателями, и для каждого установлен регулятор скорости 30 А. Благодаря этим электродвигателям дрон движется в воде с максимальной скоростью 0,8 м/с. Внутри дрона находится литий-ионный аккумулятор 12 В с объемом 5 200 мА*ч и основная материнская плата. Также на данном макете установлена бортовая камера, которая способна вести видеосъемку в полной темноте. Управление дроном проводится специальной станцией управления, которая представляет собой кейс с установленным ЖК экраном и джойстиком управления. С данным макетом подводного дрона проводились многочисленные испытания на отработку различных режимов работы в разных условиях эксплуатации [4].
Аналогично в рамках этих проектов спроектирована механическая клешня, которая в перспективе будет установлена на подводный дрон. Механическая клешня будет состоять из основных узлов: корпуса и опорных конструкций, привода, манипуляционной системы, системы программного обеспечения и, конечно, рабочего органа. Последний будет иметь сменные модули, что в будущем позволит использовать не только механическую клешню, но, к примеру, лазерную головку или лезвие. Корпус механической клешни будет изготавливаться на 30-принтере из ABS-пластика.
Вес всей конструкции не будет превышать 3 кг, она будет устанавливаться на подводный дрон, не нарушая его равнодействующих сил и гидродинамических показателей. В соответствии с математической моделью устройства сила сжатия механической клешни будет составлять от 10 до 13 кг в пике, а максимальный диаметр подбираемого объекта будет равен 155 мм. Этого будет достаточно для подъема и передвижения небольших объектов под водой, а также при их подъеме с морского дна. Класс защиты будет соответствовать IP68, что позволит погружать устройство на глубину до 50 м на 2 часа, а рабочий диапазон температуры составляет от -15 до 40°C [5]. Визуализация механической клешни представлена на рис. 2.
1 — —■-------
■ Л ^ ш -----___ ^в
Ль
#/ /
Рис. 2. Визуализация механической клешни
Итак, использование подводного дрона с установленной механической клешней в перспективе обещает быть обширным и разнообразным. Вот несколько потенциальных областей применения подводного дрона с механической клешней:
1. Мониторинг и исследование. С помощью дрона можно изучать подводные экосистемы, следить за динамикой популяций, вести мониторинг поведения и распределения различных видов морской жизни. Механическая клешня может использоваться для сбора различных проб и образцов, измерения параметров среды или для манипуляции с объектами в рамках исследований. Данный подход позволит своевременно получать необходимую статистику и избегать экологических бедствий.
2. Обслуживание подводных инфраструктур. Дрон с механической клешней может использоваться для выполнения ремонтных и обслуживающих работ на подводных инфраструктурах, таких как трубопроводы, кабели или приусадебные фермы аквакультуры. Он может поднимать и устанавливать оборудование, заменять или ремонтировать поврежденные элементы. Кроме того, устройства могут участвовать в разведке и подготовке местности для возведения различных объектов инфраструктуры.
3. Поиск и спасение. Подводный дрон с клешней может быть использован при экстренных ситуациях как на воде, так и под водой, для поиска и спасения утопающих или пропавших без вести людей. Дрон будет оборудован необходимой сигнальной и опознавательной аппаратурой, а механическая клешня поможет удерживать пострадавших или доставить им необходимые предметы для сохранения жизни.
4. Археология. Дрон с клешней обладает потенциалом для поиска и подъема подводных артефактов или предметов исторической ценности. Это снизит стоимость начальных археологических работ и позволит увеличить размер области изучения, а также детальнее изучить подводные артефакты, в том числе с извлечением для последующего анализа.
5. Рыболовство. Подводные дроны с клешней могут использоваться для помощи в коммерческом рыболовстве. Они могут помочь в сборе рыболовных сетей, разделке пойманной рыбы или выполнении других операций, связанных с рыбодобывающим процессом.
6. Судоходство. Клешня с соответствующей модификацией позволит быстро устранять аварийные ситуации в море, в том числе с намоткой сети или каната на гребной винт. Специальные модификации устройства позволят перерезать и убирать объекты, которые могут привести к чрезвычайной ситуации.
Область применения подводного дрона с механической клешней практически не ограничена и полностью зависит от конкретных потребностей и задач конечного потребителя. Активное развитие и модификация данных устройств позволяют расширять область применения, а также обеспечивать более высокую гибкость и адаптивность в соответствии с нуждами заказчика. Уже сейчас ведутся переговоры с промышленными компаниями о необходимых программных и аппаратных решениях для внедрения подводного дрона с механической клешней на производство.
Подводя итог вышесказанному, хочется отметить, что эксплуатация подводного дрона с установленной механической клешней является очень перспективным направлением как в рыбопромышленной, так и в экологической областях. Хочется еще раз обратить внимание на то, что большинство подводных операций на сегодняшний день осуществляется водолазными командами,
что довольно расточительно по времени и ресурсам. В конце концов эксплуатация подводного дрона с установленной механической клешней обезопасит и сделает более эффективным сбор морских растений и образцов грунта.
Литература
1. Популяционная биология, генетика и систематика гидробионтов. Том 1. - М.: Камчат-НИРО, 2005. - 444 с.
2. 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.-техн. конф. (Петропавловск-Камчатский, 25-26 ноября 2021 г.). - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2022.- С. 109-112.
3. 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.
4. 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. науч.-практ. конф. (Петропавловск-Камчатский, 29-30 марта 2022 г.). - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2022. -С.97-101.
5. 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.-техн. конф. (Петропавловск-Камчатский, 18-21 октября 2022 г.). - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2022. - С. 57-60.
