CC BY
27Современные проблемы энергетического обеспечения робототехнических устройств
Капитан АЛ. ПОСТНИКОВ
Полковник Ю.Ю. ЮРОВ, кандидат технических наук
АННОТАЦИЯ. Представлена классификация робототехнических устройств, проанализированы системы обеспечения электроэнергией указанных устройств отечественного и зарубежного производства. Предложены перспективные направления дальнейших разработок в данной области.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: робототехника, энергетическое обеспечение, робото-технические устройства, автономность робототехнических устройств.
SUMMARY. The article presents a classification of robotic devices, as well as analyses power supply systems for these devices produced in Russia and abroad. Prospective areas of further developments in this field are proposed.
KEYWORDS: robotics, power supply, robotic devices, autonomy of robotic devices.
ОПЫТ вооруженных конфликтов и локальных войн конца XX — начала XXI века указывает на смещение традиционных форм ведения боевых действий в сторону нетрадиционных. К их атрибутам можно отнести: информационное противоборство, применение высокоточного оружия, использование новейших систем управления, слежения, разведки и контроля. Российские и зарубежные военные эксперты сходятся во мнении, что одним из перспективных направлений развития вооружения и военной техники являются именно робототехнические комплексы. Наиболее значительных результатов в области строительства и применения робототехнических комплексов военного назначения добились специалисты США.
Так, если в Ираке использовалось 365 единиц роботов различного назначения 32 типов1, то в программе Army Brigade Combat Team Modernization предусмотрено создание и внедрение уже около 200 различных типов роботов2.
Несмотря на некоторое отставание науки и промышленности РФ в области робототехники в начале 2000-х годов, к настоящему времени удалось значительно уменьшить указанное отставание по сравнению с ведущими странами.
В кратчайшие сроки был разработан достаточно широкий номенклатурный ряд робототехнических комплексов, что в дальнейшем потребовало координации новой отрасли и стандартизации разрабатываемых устройств и платформ. Для этих целей Указом Президента РФ от 16 декабря 2015 года № 623 был учрежден Национальный центр развития технологий и базовых элементов робототехники в составе
1 Буренок В.М., Ивлев A.A., Корчак В.Ю. Развитие военных технологий XXI века: проблемы, планирование, реализация. Тверь: Издательство ООО «КУПОЛ», 2009. ISBN 9785904297-01-5.
2Лопота A.B., Николаев А.Б. Современные тенденции развития робототехнических комплексов. Наземные комплексы военного и специального назначения. URL: http://www. rtc.ru/images/docs/book/nazemnie.pdf (дата обращения: 13.02.2017).
Фонда перспективных исследований. Потребности в различных роботах диктуются в первую очередь их предназначением.
Согласно ГОСТ Р ИСО 8373-20143 под термином «робот» следует понимать «приводной механизм, программируемый по двум и более осям, имеющий некоторую степень автономности, движущийся внутри своей рабочей среды и выполняющий задачи по предназначению», тогда как «робототехническое устройство» (РТУ) в государственном стандарте в настоящее время отсутствует, но имеется схожий — роботизированное устройство4, под которым «понимают приводной механизм, имеющий характеристики промышленного или обслуживающего робота. Может иметь непрограммируемые оси или недостаточную степень автономности». Под определение робототехнических устройств подпадают также имеющиеся и разрабатываемые мобильные управляемые роботы.
Структурная модель мобильного робота включает следующие системы: транспортную, информационную, технологическую, коммуникационную, интеллектуальную (управления), энергетическую и вспомогательную5. Отметим, что любое робототехническое устройство должно обладать средствами связи, посредством которых осуществляется управление, а также прием и передача различных данных.
Условно робототехнические устройства военного назначения можно классифицировать следующим образом (рис. 1).
Классификация РТУ
По предназначению
Разведывательные
Инженерные Огневой поддержки
Транспортировочные
По типу движителя
Винтовые Гусеничные
Колесные Шагающие Колесно-нш ающие
Водометные
Реактивные
По способу управления
По среде применения
Воздушные/Косм ические Наземные Морские
По типу источника энергии
С двигателями внутреннего сгорания С химическими источниками тока На солнечных элементах На топливных элементах
С молекулярными накопшелями энергии С ядерными реакторами Комбинированные
С ручным управлением С программным управлением С адаптивным управлением
По типу приводов
Электрические Гидравлические Пневматические Смешанные
Рис. 1. Классификация робототехнических устройств военного назначения
В зависимости от предназначения к робототехническим устройствам могут применяться различные требования, которые задаются на этапе проектирования. Например, для транспортировочных робототехнических устройств важным показателем является грузоподъемность, а для
3 ГОСТ Р ИСО 8373-2014. Роботы и робототехнические устройства. Термины и определения. Введен: 26.11.2014 г. М.: Стандартинформ, 2015.
4Там же.
5 Ермолов И.Л. О факторах, влияющих на уровень автономности в пространстве транспортных шасси наземных мобильных роботов // Известия ЮФУ. Технические науки. 2016. № 1. С. 210-219.
разведывательных — высокая скрытность. Тем не менее ко всем типам робототехнических устройств предъявляются довольно жесткие требования по автономности.
Под автономностью понимается способность роботов существовать и выполнять свое функциональное назначение в определенных временных рамках, пространстве, а также при изменяющихся условиях окружающей среды без необходимости взаимодействия с другими дружественными субъектами или субъектами высшего уровня иерархии6.
Анализируя техническое задание7, можно отметить, что основным элементом, определяющим автономность РТУ, является система электроснабжения, включающая: автономный электроагрегат, приводимый в действие двигателем внутреннего сгорания (ДВС), с обеспечивающими его работу системами (топливной, смазки, охлаждения, возду-хоочистки и пуска) и дистанционным управлением; аккумуляторные батареи; блоки управления, коммутации и защиты. Система электропитания должна обеспечивать питание аппаратуры и оборудования с положительным балансом электроэнергии при всех заданных условиях эксплуатации, в том числе на высоте 3000 м над уровнем моря. Также данная система должна осуществлять подачу электроэнергии потребителям от электроагрегата в движении и на стоянке (не менее 24 часов (с дозаправкой)), а также от аккумуляторных батарей (в движении не менее 0,5 часа; на стоянке — не менее 5 часов; в дежурном режиме — не менее 6 часов).
Анализ уровня роботизации вооружения и военной техники в наиболее развитых иностранных государствах указывает на то, что одним из основных направлений при разработке РТУ является повышение их автономности в любых условиях боя. В ходе проведенного исследования американские военные специалисты пришли к выводу, что современные опытные дистанционно-управляемые роботизированные машины по автономности не соответствуют заявленным требованиям современного боя. В качестве основных недостатков таких машин указывается недостаточная подвижность на сильно пересеченной местности с большим количеством искусственных заграждений и водных преград, а также в условиях города. Источники энергии не позволяют функционировать роботизированным машинам в течение заданного времени в различных климатических зонах8.
В 2005 году широкой публике был представлен четвероногий робот BigDog (рис. 2) производства Boston Dynamics (США), разработанный по заказу Агентства по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA). Робот был предназначен для транспортировки снаряжения солдат по пересеченной местности там, где колесный или гусеничный транспорт не смог бы пройти. Уникальность робота заключалась в его устойчивости. Он мог карабкаться по склону до 35 градусов. В числе прочих особенностей данного робота следует отметить возможность переносить груз массой до 150 кг со скоростью движения по пересеченной местности до 6,4 км/ч.
6 Ермолов И.Л. О факторах, влияющих на уровень автономности в пространстве транспортных шасси наземных мобильных роботов.
7 Техническое задание на составную часть опытно-конструкторской работы «Базовые платформы мобильных биоморфных роботов». Сведения о договоре № 31502789911-01. URL: http: //zakupki. gov. га/223/purchase/public /purchase/contractlnfo/view- documents. html? -contractlrifold=904162&purchaseld=2845881 (дата обращения: 15.04.2017).
8 Рубцов И.В. Вопросы состояния и перспективы развития отечественной наземной робототехники военного и специального назначения // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск: перспективные системы и задачи управления. 2013. № (140). С. 14-21.
Рис. 2. Четвероногий робот BigDog Boston Dynamics, США
В качестве источника энергии использовался двигатель внутреннего сгорания, который был очень шумным, в связи с чем, так и не решив указанную проблему, компания отказалась от дальнейших разработок данной модели. Отметим, что ДВС был предназначен для привода электроагрегата с целью выработки электрической энергии. Помимо большого уровня шума, двигатель данного робота обладал еще одним демаскирующим фактором — выделением большого количества тепла и выхлопных газов. Очевидно, что в разведывательных целях данный робот применяться не может. Следует отметить, что в настоящее время альтернативы двигателю внутреннего сгорания как источника энергии тяжелых мобильных робототехнических устройств, предназначенных для огневой поддержки подразделений, пока нет.
Проблема энергетического обеспечения РТУ стоит довольно остро. Исследования ученых в этой области направлены на создание новых типов и применение нетрадиционных источников электроэнергии, использование устройств и алгоритмов, реализующих режимы энергосбережения, а также разработку устройств рекуперации механической энергии в электрическую с последующим ее накоплением в аккумуляторных батареях.
Отечественными и зарубежными специалистами ведутся активные работы по внедрению топливных элементов в качестве альтернативной замены аккумуляторных батарей. В 2015 году ЗАО НПЦ «НЕЛК»9 совместно с Институтом проблем химической физики РАН впервые в России провели исследования по применению топливных элементов в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА). Бортовая энергетическая установка БПЛА состояла из батареи топливных элементов, баллона с водородом, контроллера бортовой энергетической установки и демпферной (стартовой) Li-Pol батареи. Результаты исследования показали, что КПД топливных элементов, работающих на максимально-эффективной мощности, составляет порядка 50—60 %. К преимуществам топливных элементов, используемых в беспилотных летательных аппаратах в качестве источника энергии, по сравнению с БПЛА, оборудованных двигателем внутреннего сгорания, можно отнести: низкий уровень шума, отсутствие вибраций для точного наведения оптики,
9 Сталенков С.Е., Василевский И.В. Перспективный беспилотный летательный аппарат ЗАО НПЦ «НЕЛК» // Крылья Родины. 2015. № 7-8, С. 28-29.
отсутствие теплового следа, стабильная вольт-амперная характеристика и продолжительность работы10. Отличительной особенностью данного устройства является применение контроллера в бортовой энергетической установке, осуществляющего: коммутацию и управление работой топливных элементов, вентиляторов продувки, демпферной аккумуляторной батареей, потребителя, датчиков тока и напряжения, температурных датчиков, датчиков давления, клапана подачи водорода и органов управления; управление температурным режимом установки в течение всего процесса; выдачу телеметрической информации по цифровому последовательному интерфейсу. Разработанный микроконтроллер для регулировки потребляемой мощности и комбинированное применение топливных элементов и демпферной (стартовой) Li-Pol батареи позволили обеспечить экономичное потребление энергии при наличии пиковых нагрузок. При этом, несмотря на приведенные преимущества, время автономной работы (полета) беспилотного летательного аппарата снизилось почти на 40 %.
Сравнительно недавно были предложены беспроводные системы энергоснабжения. Авторы статьи «Беспроводная энергетика как основа создания глобальных энергетических систем»11 указывают на возможность использования солнечной энергии и энергоснабжения труднодоступных мест при помощи пассивных орбитальных ретрансляторов, работающих в СВЧ-диапазоне или при помощи лазеров. В таком случае возникает проблема достижения высокого коэффициента полезного действия и обеспечения экологической безопасности, а также снижения уровня фонового микроволнового излучения за пределами приемной антенны. Существующий уровень техники в настоящее время не позволяет строить высокоэффективные системы беспроводной передачи электрической энергии на большие расстояния.
Наряду с автономной системой энергоснабжение робототехниче-ских устройств может осуществляться по кабелю. Такой тип энергоснабжения существенно ограничивает применение робототехниче-ского устройства ввиду относительно небольшой длины кабеля (около 100—200 м). Возможно применение более длинного кабеля, при этом необходимо учитывать тот факт, что с увеличением его длины растет сопротивление и эффективность передачи электроэнергии снижается.
Преимущества автономных систем энергоснабжения РТУ перед проводными очевидны, прежде всего это независимость от пункта управления, что обеспечивает высокую мобильность и разведзащищен-ность самого пункта управления. В целом автономные системы энергоснабжения имеют ограниченное время работы, более сложную конструкцию и увеличенные массогабаритные показатели.
Таким образом, в настоящее время еще не решена проблема энергетического обеспечения робототехнических устройств, работающих в автономном режиме. Наиболее перспективным направлением для дальнейших разработок, по нашему мнению, являются системы электроснабжения, реализуемые на принципах комбинированного применения бортовых источников электроэнергии, устройств рекуперации и программных средств, реализующих энергосберегающие алгоритмы.
10Сталенков С.Е., Василевский И.В. Перспективный беспилотный летательный аппарат ЗАО НПЦ «НЕЛК» // Крылья Родины. 2015. № 7-8, С. 28-29.
11 Гридин В.Н. и [др.] Беспроводная энергетика как основа создания глобальных энергетических систем // Вестник МАИ. 2009. Т. 16. № 5. С. 87—91.
