CC BY
40УДК 629.584:656.61.052
А.Д. Змеев, А.О. Рогожников, Д.П. Ястребов
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: artem. klas10@gmail.com
РАЗРАБОТКА И ОРГАНИЗАЦИЯ ИСПЫТАНИЙ ПОДВОДНОГО ДРОНА МОДУЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ
Водная биосфера Камчатского края является поистине необычайной, поэтому необходимо вести постоянный мониторинг за ее общим состоянием. Постоянный мониторинг за водной средой является достаточно сложной задачей, а без специализированной техники эту задачу вообще невозможно решить. Разрабатываемый подводный дрон с модульной конструкцией может поспособствовать решению этой проблемы, поскольку использование данного дрона упростит проведение постоянного контроля водной среды.
Ключевые слова: водная биосфера, постоянный мониторинг, техническая функциональность, подводный дрон, модульность конструкции.
A.D. Zmeev, A.O. Rogozhnikov, D.P. Yastrebov
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: artem. klas10@gmail.com
DEVELOPMENT AND ORGANIZATION OF TESTING OF UNDERWATER DRONE OF MODULAR DESIGN
The aquatic biosphere of Kamchatka Krai is truly extraordinary, so it is necessary to constantly monitor its general condition. Constant monitoring of the aquatic environment is quite a difficult task, and without specialized equipment this task cannot be solved at all. The underwater drone being developed with a modular design can contribute to solving this problem, since the use of this drone will simplify the constant monitoring of the aquatic environment.
Key words: aquatic biosphere, constant monitoring, technical functionality, underwater drone, modularity of construction.
Общая экология любого региона включает в себя различные составляющие, одной из которых является биосфера. В Камчатском крае главной составляющей экологического аспекта региона является именно водная биосфера. Полуостров Камчатка омывается Беринговым и Охотским морями, а также Тихим океаном, следовательно, от биологических состояний этих вод и зависит по большей части экология всего региона. Помимо этого, от благосостояния водной среды зависит и экономика Камчатского края, поскольку большую роль в этом направлении играет рыбодобывающий комплекс и транспортные суда [1]. В статье приведено обоснование необходимости постоянного мониторинга за водной средой. В рамках системы мониторинга будет происходить оценка, контроль и общий анализ водных ресурсов.
Массовое развитие растительных и животных организмов на поверхности судов и морских гидротехнических сооружений при их длительной эксплуатации наносит им значительный вред. К одним из наиболее негативных эффектов биообрастания относятся ускорение коррозии материалов и увеличение гидродинамической нагрузки на такие объекты [2, 3]. Поэтому защите корпусов судов, свай, причальных сооружений и других металлоконструкций в водной среде от воздействия видов-обрастателей уделяется все большое внимание [4].
Природные ресурсы, их современное состояние, охрана., промысловое и техническое использование
Однако обеспечить постоянство мониторинга без использования специализированных технических систем практически невозможно. Поэтому разработка и внедрение в производство подводного дрона модульной конструкции является актуальной задачей [5].
Подводные дроны появились сравнительно недавно и уже четко заняли свою экономическую нишу. На рынке присутствует большое разнообразие данной техники, начиная от подводных дронов, которые предназначены для подводной съемки, и заканчивая дронами, которые являются серьезным инструментом для исследования Мирового океана. В связи с назначением и функционалом данная подводная техника имеет и разную стоимость. Как правило, подводные дроны комплектуются несколькими электродвигателями, в них предусмотрена система подводного ориентирования, имеется встроенная видеокамера и прожектор.
В основном подводные дроны используются экспедициями для исследования морских глубин, пещер и иных геологических подводных образований. Данные подводные машины погружаются на большие глубины, следовательно, должен быть большой запас прочности. Помимо исследования, привлекательность таким подводным аппаратам придает еще один вариант использования - подводная охота и рыбалка. Вместе с этим подводный дрон можно использовать и в военных целях. Здесь дроны могут быть использованы для обезвреживания морских мин, патрулирования стоянки военных кораблей, также для исследовательских и спасательных целей при затоплении кораблей и иных объектов, представляющих ценность для военных [5].
На данный момент на кафедре «Энергетические установки и электрооборудование судов» в КамчатГТУ активно разрабатывается подводный дрон с модульной конструкцией.
Отличительной особенностью разрабатываемого дрона является модульность конструкции, то есть возможность подсоединять различные модули для разного рода целей и задач. Разрабатываемая модульная конструкция позволит минимизировать затраты на дорогостоящее оборудование для подводного дрона, по сравнению с аналогами и конкурентами, которые в свою очередь не имеют сменных модулей и возможность модернизации. Проектируются и разрабатываются следующие сменные модули: механическая клешня, инженерная лопатка и техническая пробирка. Совместно автором и его командой разработана и адаптирована математическая модель под возможности контролера, который используется в устройстве управления дроном. В научно-техническом кружке рабочей командой уже разработан и собран макет подводного дрона. На рис. 1 представлена 3Б-модель и собранный макет подводного дрона.
Рис. 1. Визуализация подводного дрона (справа) и макет подводного дрона (слева)
Корпус макета подводного дрона изготовлен из нержавеющей стали. Планируется покраска корпуса в ярко-оранжевый цвет, чтоб дрон был хорошо заметен в мутной воде. Данный корпус, показанный на рис. 1, способен выдержать нагрузки на глубине порядка 150 м, и в дальнейшем этот показатель будет увеличен. Важную роль в любой подводной машине играют установленные на ней двигатели. Рабочий макет комплектуется четырьмя компактными электродвигателями. За счет этих электродвигателей дрон движется в воде с максимальной скоростью 1,5 м/с и передвигается очень тихо. Благодаря такому расположению гребных винтов дрон является достаточно маневренным, что позволяет останавливать и разворачивать его в считаные секунды.
Крепления для электродвигателей распечатаны на 3D-принтере. На борту макета установлен блок микроконтроллеров и камера, способная записывать в полной темноте. Масса всего макета не превышает 6 кг. Управление дроном производится специальной станцией, которая входит в состав оборудования. Станция включает в себя сам джойстик управления, соответствующую электронику и ЖК дисплей, на который передается изображение с камеры. Также полученный материал можно записывать на внешнюю карту памяти.
Научная команда в период 02.02.2022 г. по 08.02.2022 г. провела испытания макета подводного дрона в условиях стационарного бассейна (рис. 2). В ходе испытаний макет подводного дрона показал высокие ходовые качества, маневренность. Также успешно пройдено испытание на герметичность корпуса дрона и работоспособность бортовой камеры. Результаты испытаний были опубликованы на сайте КамчатГТУ. В ходе дальнейших испытаний планируется дальнейшая доработка конструкции дрона, направленная на повышение его остойчивости, путем проведения балансировки.
" -п
у
Рис. 2. Испытания подводного дрона
Для Камчатского края подводный дрон с модульной конструкцией является незаменимым решением проблемы постоянного мониторинга. Именно за счет модульной конструкции дрон является универсальным, то есть его можно использовать в научной, промышленной и даже военной деятельности. Для научных исследований подводный дрон можно использовать с разными сменными модулями, к примеру, технической пробиркой можно брать пробы воды и разнообразные микроорганизмы. Получив данный материал, можно проводить соответствующие анализы, расчеты и прогнозы изменений стояния водной среды и популяций микроорганизмов. Эти данные можно использовать и в промышленной деятельности для оптимизации работы рыбопромышленного комплекса. Что касается механической клешни, то здесь большой спектр выполнения задач. Подводный дрон с установленной механической клешней может набирать различные морские растения, которые можно в дальнейшем использовать в медицинских целях. На рис. 3 представлены спроектированные 3D-модели технической пробирки и механической клешни.
С помощью инженерной лопатки, пробирки и механической клешни, которые представлены на рис. 3, можно собирать образцы грунта и уже дальше работать с этими образцами в своих целях. Использование подводного дрона позволит поддерживать популяцию определенных гидро-бионтов, поскольку контролировать популяции с помощью подводного дрона будет значительно проще. Разрабатываемый подводный дрон также может использоваться в системе автоматизированного контроля защиты корпусов судов [6-8]. К тому же подводным дроном можно проводить осмотр акваторий, различных промышленных объектов.
Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование
Рис. 3. Визуализация технической пробирки (слева) и механической клешни (справа)
Подводный дрон с модульной конструкцией в Камчатском крае позволит реализовать постоянный мониторинг и достаточно упростить эту задачу. Использование подводного дрона с модульной конструкцией отвечает всем основным целям мониторинга:
1. Постоянное наблюдение за состоянием водной биосферы и ее изменениями, причем не только антропогенными или связанными с загрязнением вод, но и естественными;
2. Сбор, обработка и хранение полученных данных;
3. Анализ, расчет и прогноз изменений состояния водный среды;
4. Передача результатов наблюдений, их анализ и прогноз.
Подводный дрон с модульной конструкцией позволит сохранить всю необычайность и красоту водной биосферы Камчатского края, поскольку с его использованием появляется возможность вести постоянный мониторинг. Ведение постоянного контроля водной биосферы положительно повлияет на общую экологию всего региона.
Использование подводного дрона с модульной конструкцией принесет огромную пользу для окружающей среды, так как значительно улучшится состояние водной биосферы, благодаря постоянному мониторингу. Не стоит забывать, что вести постоянный мониторинг с использованием подводного дрона будет значительно легче и практичнее. Использование подводного дрона с модульной конструкцией позволит сохранить всю многообразность и необычайность водной биосферы Камчатского края.
Литература
1. О государственной программе Камчатского края «Развитие рыбохозяйственного комплекса Камчатского края»: Постановление Правительства Камчатского края в ред. № 566-П от 22.12.2021. - 2013. - 18 с.
2. Звягинцев А.Ю. Морское обрастание в северо-западной части Тихого океана. - Владивосток: Дальнаука, 2005. - 432 с.
3. Комплексный подход к защите от морского обрастания и коррозии / В.А. Карпов, Ю.Л. Ко-вальчук, О.П. Полтаруха, И.Н. Ильин. - М.: Товарищество научных изданий КМК, 2007. - 155 с.
4. Research strategies to develop environmentally friendly marine antifouling coatings / Y. Gu, L. Yu, J. Mou, D. Wu, M. Xu, P. Zhou, Y. Ren // Mar. Drugs. - 2020. - Vol. 18 (7). - P. 371. DOI: 10.3390/md18070371.
5. Змеев А.Д., Рогожников А.О. Перспектива использования подводных дронов для оценки технического состония антикоррозийной защиты судна // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Четвертой междунар. науч.-практ. конф. (Петропавловск-Камчатский, 25-26 октября 2021 г.). - Петропавловск-Камчатский: Изд-во Кам-чатГТУ. - С. 109-112.
6. 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.
7. Оперативный контроль состояния антикоррозионной защиты как фактор безопасности технической эксплуатации морских судов / О.А. Белов, А.О. Шуваева, С.А. Клементьев, А.В. Фе-дин // Инноватика и экспертиза: Научные труды. - 2020. - № 1 (29). - С. 152-159.
8. Разработка автоматизированной системы контроля протекторной защиты корпусов рыбопромысловых судов / О.А. Белов, Д.П. Ястребов, А.О. Рогожников, В.А. Швецов, С.А. Зайцев, Б.В. Тарабанов // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование: Материалы XI Нац. (всерос.) науч.-практ. конф. (Петропавловск-Камчатский, 24-25 марта 2020 г.). - Петропавловск-Камчатский: Изд-во КамчатГТУ, 2020. -С.82-85.
