CC BY
19УДК: 004.896; 007.52
Проблемы встраиваемости робототехнических комплексов в существующие технологии управления глубокопогруженными морскими объектами
Рыжкова Д.Н., Николашин Д.Ю.
Аннотация. В статье рассматриваются вопросы проектирования, внедрения и функционирования робототехнических комплексов. На примере робототехнических комплексов морского базирования установлено, что автономность функционирования является основным показателем эффективности его работы при выполнении задач предназначения. В связи с этим, главной целью при его проектировании представляется реализация максимально эффективных и ориентированных под прикладную задачу алгоритмов функционирования, поиск надежного канала связи, а также подбор оптимальных вычислительных устройств и разработка схемных решений.
Ключевые слова: робототехнический комплекс, алгоритмы функционирования, управление, Телеуправляемый необитаемый подводный аппарат, робототехника.
Введение
К настоящему времени в вопросах роботизации сформировались несколько крупных научно-технологических направлений прикладных работ, которые, по объектной области, можно разделить на четыре следующие группы:
1) Воздушная робототехника. В данном направлении рассматривается робототехника аэростатики (системы навигации, наведения и др.), робототехника аэродинамики (системы технического зрения, алгоритмы обработки, детекторы), а также комбинированные направления (каналы радиосвязи и др.).
2) Морская робототехника. В данном направлении рассматриваются надводные робототехнические комплексы (беспилотники на воздушной подушке гражданского и специального назначения), подводные комплексы (робототехнические комплексы морского базирования гражданского и специального назначения), комбинированные робототехнические комплексы (систем энергетики, систем гидроакустической и радиосвязи и др.).
3) Наземная робототехника. В данном направлении рассматриваются гусеничные и колесные робототехнические комплексы, в особенности, их системы управления (автоматические и автоматизированные), бионические и комбинированные робототехнические комплексы (датчики положения, давления, уровня, температуры и другие датчики состояния).
4) Космическая робототехника. В данном направлении рассматриваются манипуляционные робототехнические комплексы (их бортовые вычислительные средства) и планетоходы (электрические, пневматические, гидравлические и другие приводы).
На рис. 1 приведены примеры существующих реализованных проектов по разработке и внедрению робототехнических комплексов различного применения: начиная от роботов-доставщиков (дронов и колесных роботов) и заканчивая планетоходами для космических исследований. Примеры проектов морской робототехники рассмотрим далее в статье.
Исходя из общеизвестных предпосылок разработки робототехнических комплексов (автоматизация процессов, повышение оперативности и работоспособности узлов и др.) представляется очевидным тот факт, что снижение доли участия оператора в функционировании любого робототехнического комплекса является одним из основных желаемых результатов разработок робототехники, поскольку при этом уменьшается влияние человеческого фактора и снижается необходимость наличия жесткого канала взаимосвязи с оператором, предоставляя возможности для создания более технически продвинутых решений.
В данной статье на примере морской подводной робототехники рассмотрим основные проблемы встраиваемости разрабатываемых робототехнических комплексов морской базирования в существующие технологии управления глубокопогруженными морскими объектами.
Рис. 1. Роботы воздушного, наземного и космического базирования различного назначения
Морская подводная робототехника
По устройству и характеристикам морские подводные роботы (аппараты) классифицируются следующим образом:
Автономные (не имеют кабельных связей с другими объектами):
- большие (более 1500 кг);
- тяжелые (250-1500 кг);
- легкие (50-250 кг);
- малогабаритные (11-45 кг);
- глейдеры (морские планеры, которые, как правило, движутся только за счет изменения собственной плавучести).
Неавтономные (привязные, то есть управляемые по кабельным линиям, например, с
судна):
- глубоководные научно-исследовательские телеуправляемые;
- противоминные телеуправляемые;
- одноразовые телеуправляемые;
- многоразовые телеуправляемые.
Рис. 2. Глейдер, фото ЗАО «НПП подводных технологий Океанос»
Рис. 3. Телеуправляемый необитаемый подводный аппарат Seaeye Falcon, SAAB
Одним из наиболее ярких примеров морской робототехники по ширине спектра выполняемых задач и областей применений являются автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА). На рис. 4-6 представлен внешний вид некоторых АНПА.
Применение АНПА:
- обзорно-поисковые работы: инспекция подводных сооружений и коммуникаций, поиск и обследование затонувших объектов;
- геологоразведочные работы: топографическая, фото- и видеосъемка морского дна, акустическое профилирование, картографирование рельефа;
- подледные работы: обслуживание систем освещения, прокладка кабеля и трубопроводов;
- океанографические исследования;
- экологический мониторинг;
- работы специального назначения: патрулирование, противоминная оборона, разведка.
Носовой модуль
Рис. 4. АНПА GAVIA
Рис. 5. АНПА ГК Тетис
Рис. 6. АНПА IVER2 (Oceanos)
Доведение команд управления до морских роботов
В ходе выполнения задач своего предназначения предполагается, что АНПА могут быть глобально удалены от пункта управления, поэтому целесообразным представляется рассмотрение беспроводных каналов доведения и обмена информацией с АНПА.
Рис. 7. Вариант взаимодействия АНПА с другими объектами
При нахождении АНПА в подводном положении, наиболее подходящим для организации канала связи (управления) является гидроакустический канал взаимосвязи с пунктами управления (напрямую или через буи-ретрансляторы), как показано ранее в [1].
Дополнительно АНПА оснащаются модулями спутниковой связи, в том числе для уточнения координат нахождения при всплытиях из подводного положения.
Необходимо упомянуть, что при нахождении АНПА в подводном положении (на глубине более 15 метров) радиосвязь в СДВ-диапазоне с ним без выпускного антенного устройства или буя-ретранслятора, не обеспечивается, а также установка аппаратуры СДВ радиосвязи на АНПА проблематична.
В случае организации групповой работы из нескольких АНПА наличие же гидроакустической системы позволяет организовать перспективную систему взаимодействия (рис. 7). Технологии цифровой обработки, уже реализованные в современных модемах гидроакустической связи, обеспечивают функционирование гидроакустического канала в условиях многолучевого распространения и воздействия помех.
В табл. 1 приведены сравнительные характеристики некоторых модемов гидроакустической связи [2].
Таблица 1 - Сравнительные характеристики модемов гидроакустической связи
Параметры модема S2C R 8/16 Германия S2C Я 40/80 Германия Лсожйс Modem Германия ишы 2000Н США ВСГС Россия («НИИ Гидросвязи «Штиль») ГАСС Россия (ДВО РАН)
Дальность действия (км) 10,0 2,5 30 6,0 10,5 8,0
Максимальная
скорость передачи данных (кбит/с) 6,9 35,7 0,145 17,8 57,6 4
Частота излучения (кГц) 8 - 16 40 - 80 - 26,77-44,62 18,75 - 42,75 16 - 20
Вероятность ошибки - - - 10-9 10-9 -
Вес модема, (кг) 4,2 2,1 - - - -
Ранее в [1] показано, что между АНПА группы, находящимися под водой на значительных расстояниях между собой, информационный обмен принципиально может быть организован гидроакустическими модемами связи путем снижения скорости передачи информации при условии подавления помех от сторонних излучателей и автоматического учета эффекта Доплера. В то же время, предложенное в [1] научно-техническое схемное решение потенциально позволяет увеличить скорость передачи данных, благодаря наличию нескольких каналов. Дополнительным преимуществом данного решения также является возможность унификации средств связи морских подводных роботов, что проявляется особенно актуальным вопросом в стремлении снижения массогабаритных показателей роботов.
Интеллектуальное управление
В общем виде любая система управления робототехническим комплексом основывается на трех ступенях:
1) планирование работ и хранение данных;
2) управление механизмами (приведение в действие);
3) исполнение и контроль сенсоров (с обратной связью в адрес системы управления комплекса).
В связи с этим, пункты данных ступеней составляют минимально необходимый спектр задач, которые необходимо решать системе управления или робототехническому комплексу самостоятельно (имея интеллектуальное управление) для выполнения миссий. Приводимые в работах [1-6] и ранее в данной статье научно-технические решения в части организации подводного канала связи, обеспечения алгоритмов функционирования и обработки внешних данных показывают, что организация системы управления робототехническим комплексом является сложной нетривиальной проблемой. Решение данной проблемы диктует наличие высоких показателей характеристик применяемой вычислительной техники и наличие надежного канала связи «пункт управления - робот» с высокой пропускной способностью. Однако, обращаясь к частному случаю морских роботов, как было рассмотрено [1], гидроакустический канал связи является достаточно сложной структурой с большим набором существующих в нём помех и энергетических ограничений, особенно проявляющейся при больших протяженностях трасс (более 30 км). По этой причине переход к современному интеллектуальному управлению роботом представляется наиболее перспективным подходом.
Вариант интеллектуального управления роботом (рис. 8) подразумевает одну головную задачу взаимодействия оператора с роботом - это оценка ситуации. При должной степени
проработки этот обмен существенно сокращает циркулирующий трафик и, следовательно, выставляет более низкие требования к каналу связи.
Со стороны робота предоставление данных оператору управления для этой оценки ситуации включает в себя самостоятельное решение трех основных задач:
- планирование порядка и способов исполнения текущих заданий техническим оснащением робота;
- обработка данных сенсоров от внешней среды, в том числе выявление внештатных ситуаций;
- хранение данных о ходе выполнения работ (данных от сенсоров, датчиков), а также сохранение априорной информации, вводимой до начала работ.
Рис. 8. Интеллектуальное управление робототехническим комплексом [3]
Дополнительно, как упоминалось в работе [1] и ранее в этой статье, возможна реализация распределенной вычислительной сети из нескольких подводных роботов, которая, при должном уровне составления групповых алгоритмов функционирования, может:
- решать и учитывать больше данных внешней среды, чем один робот;
- повышать скорость и точность выполнения миссий;
- увеличивать дальность глобального удаления роботов от базового пункта (человека-оператора) за счет построения цепочек из нескольких морских роботов, имеющих между собой каналы взаимосвязи (рис. 9).
Также, в соответствии с новыми тенденциями прикладных решений с помощью современной вычислительной техники, на основе интеллектуального управления возможно построение высокоэффективных групп робототехнических комплексов, функционирующих на основе нейросетевых подходов [7-10].
Выводы
Ключевой проблемой в успешном функционировании любого робототехнического комплекса является обеспечение высоких показателей автономности его работы при выполнении задач предназначения. Под автономностью, в общем случае, подразумеваем способность робототехнического комплекса выполнять функциональные задачи с полным отсутствием или минимальным участием оператора. Причины необходимости частого
вмешательства (участия) оператора при функционировании робототехнических комплексов различного предназначения в каждом конкретном случае частные.
В части морской робототехники для повышения автономности управления роботами необходимо решать следующие научно-технические задачи:
1) внедрение составных и разнородных каналов связи для эффективности управления робототехническими комплексами, глобально удаленных от оператора;
2) организация гидроакустического канала связи между глубокопогруженными робототехническими комплексами морского базирования;
3) реализация элементов искусственного интеллекта для обеспечения управления.
Зона беспроводного доступа буя
^ и,......0 '4!. '
Сетевые
Выход во V внешнюю ^ сеть
^ ____ _ ^
Л Ф
""О
Выход во внешнюю сеть
а)
Выход во внешнюю сеть
б)
О
0 0,0)
о
Шлюз выхода во
0 4 > п
V/ Гидроаккус- \ I I
ч тические \ Ч/
\ каналы * •
- \связи \ Л
0 \ мО
о о о к к.
Шлюз выхода во внешнюю сеть
в)
Рис. 9. Различные варианты топологий размещения морских роботов: а) централизованная топология сети; б) многопролетная топология сети; в) распределенная топология сети
При общем рассмотрении можно выделить следующие важные вопросы, которые обязательны к проработке для проектов разработки робототехнических комплексов:
1) наличие надежного канала связи между роботом и оператором (контроль хода миссии, оперативное оповещение оператора);
2) наличие эффективных алгоритмов функционирования роботов (неэффективные алгоритмы с большей вероятностью могут привести робота к нештатной ситуации);
3) наличие вычислительных устройств подходящих габаритов и характеристик для обработки данных в процессе функционирования роботов.
Литература
1. Рыжкова Д.Н. Обеспечение информационного обмена между глубокопогруженными автономными необитаемыми подводными аппаратами в группе: выпускная квалификационная работа магистра. // Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого. - Санкт-Петербург, 2018. 67 с.
2. Будко П.А., Жуков Г.А., Кулешов И.А., Николашин Ю.Л. // Робототехника и техническая кибернетика. 2017. № 4 (17). С. 28-40.
3. Юревич Е.И. Основы робототехники. 4-е издание. СПб: БХВ-Петербург, 2018. 304 с.
4. Автономные подводные роботы. Системы и технологии // Под ред. Агеева М.Д. Наука, 2005.
398 с.
5. Шибков А.Н. Подводная связь и навигация с использованием электромагнитного поля. Дисс. д.т.н. Владивосток: ДВГУ. 2006. 284 с.
6. Стопцов Н.А., Бойцов В.И., Шелемин В.Н. Связь под водой. - Л.: Судостроение, 1990. 248 с.
7. Радченко А.Н. Ассоциативная память. Нейронные сети. Оптимизация нейропроцессоров. Санкт-Петербург. Наука, 1998.
8. Инзарцев А.В., Павин А.М., Багницкий А.В. Планирование и осуществление действий обследовательского подводного робота на базе поведенческих методов // Подводные исследования и робототехника. 2013. №1 (15). С. 4-16.
9. Пшиханов В.Х., Чернухин Ю.В., Федотов А.А. и др. Разработка интеллектуальной системы управления автономного подводного аппарата // Известия южного федерального университета. Технические науки. 2014. Вып. 3 (152). С. 87-101.
10. Белоусов И. Современные и перспективные необитаемые подводные аппараты ВМС США // Зарубежное военное обозрение. 2013. №5. С. 79-88.
References
1. Ryzhkova D.N. Provision of information exchange between deep-submerged autonomous uninhabited underwater vehicles in the group: Master's final qualifying work. Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University. St. Petersburg, 2018. 67 s. (in Russian).
2. Budko P.A., Zhukov G.A., Kuleshov I.A., Nikolashin Y.L. Methods and control channels of marine-based robotic complexes in a heterogeneous environment. Robotics and technical cybernetics. No. 4 (17). St. Petersburg: Central Research Institute of RTK. 2017. Pp. 28-40 (in Russian).
3. Yurevich E.I. Fundamentals of robotics. 4th edition. St. Petersburg: BHV-Petersburg, 2018. 304 s. (in Russian).
4. Autonomous underwater robots. Systems and technologies. Edited by Ageev M.D. Nauka, 2005. 398 s. (in Russian).
5. Shibkov A.N. Underwater communication and navigation using an electromagnetic field. Diss. Doctor of Technical Sciences. Vladivostok: DVSU. 2006. 284 s. (in Russian).
6. Stoptsov N.A., Boytsov V.I., Shelemin V.N. Communication under water. L.: Shipbuilding, 1990. 248 s. (in Russian).
7. Radchenko A.N. Associative memory. Neural networks. Optimization of neuroprocessors. Saint-Petersburg. Science, 1998 (in Russian).
8. Inzartsev A.V., Pavin A.M., Bagnitsky A.V. Planning and implementation of actions of a survey underwater robot based on behavioral methods. Underwater research and robotics. 2013. No.1 (15). Pp. 4-16 (in Russian).
9. Pshikhanov V.Kh., Chernukhin Yu.V., Fedotov A.A., etc. Development of an intelligent control system for an autonomous underwater vehicle. Proceedings of the Southern Federal University. Technical sciences. 2014. Issue 3 (152). Pp. 87-101 (in Russian).
10. Belousov I. Modern and promising uninhabited underwater vehicles of the US Navy. Foreign Military Review. 2013. No. 5. Pp. 79-88 (in Russian).
Статья поступила 14 декабря 2021 г.
Информация об авторах
Рыжкова Дарья Николаевна - Инженер ПАО «Интелтех». Тлф.: +7(812)313-10-34. E-mail: d.n.ryzhkova@inbox.ru.
Николашин Денис Юрьевич - Независимый специалист. Тлф. +7(812)295-50-69. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Адрес: 197342, Россия, Санкт-Петербург, Кантемировская ул., д. 8.
Scientific and technical problems of the implementation of developed robotic complexes in existing
technologies for control of deep sea objects
D.N. Ryzhkova, D.Y. Nikolashin
Annotation. The article deals with the design, implementation and operation of robotic systems. On the example of sea-based robotic systems (autonomous uninhabited underwater vehicles), it has been established that the autonomy of operation is the main indicator of the effectiveness of its operation in fulfilling its intended tasks. In this regard, the main goal in its design is the implementation of the most efficient and application-oriented operation algorithms, the search for a reliable communication channel, as well as the selection of optimal computing devices and the development of circuit solutions.
Keywords: robotic complex, functioning algorithms, control, robotics.
Information about Authors
Ryzhkova Daria Nikolaevna - Engineer of PJSC "Inteltech". Tel E-mail: d.n.ryzhkova@inbox.ru.
Nikolashin Denis Yurievich - Independent specialist. Tel. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Address: 197342, Russia, St. Petersburg, Kantemirovskaya st., 8.
Для цитирования: Рыжкова Д.Н., Николашин Д.Ю. Научно-технические проблемы внедрения разрабатываемых робототехнических комплексов в существующие технологии управления глубокопогруженными морскими объектами // Техника средств связи. 2021. № 4 (156). С. 70-78
For citation: Ryzhkova D.N., Nikolashin D.Y. Scientific and technical problems of the implementation of developed robotic complexes in existing technologies for control of deep sea objects // Means of communication equipment. 2021. No 4 (156). Pp. 70-78 (in Russian).
+7(812)313-10-34. +7(812)295-50-69.
