Автономный подводный аппарат ( АНПА ) — это робот , который перемещается под водой, не требуя постоянного участия оператора. АНПА составляют часть более крупной группы подводных систем, известных как беспилотные подводные аппараты . Эта классификация включает в себя неавтономные подводные аппараты с дистанционным управлением (ROV), управляемые и приводимые в движение с поверхности оператором/пилотом через шлангокабель или с помощью дистанционного управления. В военных целях АНПА чаще называют беспилотным подводным аппаратом ( БПА ). Подводные планеры являются подклассом АНПА.
Первый АНПА был разработан в Лаборатории прикладной физики Вашингтонского университета еще в 1957 году Стэном Мерфи, Бобом Франсуа, а затем Терри Юартом. «Самоходная подводная исследовательская машина», или SPURV , использовалась для изучения диффузии, акустической передачи и подводных следов.
Другие ранние АНПА были разработаны в Массачусетском технологическом институте в 1970-х годах. Один из них выставлен в Морской галерее Харт в Массачусетском технологическом институте. В то же время в Советском Союзе также разрабатывались АНПА [1] (хотя об этом стало известно гораздо позже).
Этот тип подводных аппаратов в последнее время стал привлекательной альтернативой для подводного поиска и разведки, поскольку они дешевле пилотируемых аппаратов. За последние годы предпринимались многочисленные попытки разработать подводные аппараты для решения задач программ разведки и добычи полезных ископаемых в океанах. В последнее время исследователи сосредоточились на разработке АНПА для долгосрочного сбора данных в океанографии и управлении прибрежными районами. [2]
Нефтяная и газовая промышленность использует АНПА для создания подробных карт морского дна , прежде чем приступить к строительству подводной инфраструктуры; трубопроводы и подводные заканчивания могут быть установлены наиболее экономичным способом с минимальным ущербом для окружающей среды. AUV позволяет геодезическим компаниям проводить точные исследования территорий, где традиционные батиметрические исследования были бы менее эффективными или слишком дорогостоящими. Кроме того, теперь возможны обследования труб после укладки, включая осмотр трубопровода. Использование АНПА для обследования трубопроводов и подводных искусственных сооружений становится все более распространенным. [ нужна ссылка ] Также ведется разработка АНПА для потенциальной разработки морского дна и/или добычи полиметаллических конкреционных пород. [3]
Ученые используют AUV для изучения озер, океана и дна океана. К АНПА можно прикрепить множество датчиков для измерения концентрации различных элементов или соединений, поглощения или отражения света, а также присутствия микроскопической жизни. Примеры включают датчики проводимости, температуры и глубины (CTD), флуорометры и датчики pH . Кроме того, AUV могут быть сконфигурированы как буксиры для доставки индивидуальных пакетов датчиков в определенные места.
Лаборатория прикладной физики Вашингтонского университета создает версии своей платформы AUV Seaglider с 1950-х годов. Хотя Seaglider изначально был разработан для океанографических исследований, в последние годы он вызвал большой интерес со стороны таких организаций, как ВМС США или нефтегазовая промышленность. Тот факт, что эти автономные планеры относительно недороги в производстве и эксплуатации, свидетельствует о том, что большинство платформ АНПА будут иметь успех во множестве применений. [4] [ ласковые слова ] [ расплывчато ] [ необходимы разъяснения ]
Примером AUV, напрямую взаимодействующего с окружающей средой, является робот-морская звезда «Терновый венец» ( COTSBot ), созданный Технологическим университетом Квинсленда (QUT). COTSBot находит и уничтожает морскую звезду с терновым венцом ( Acanthaster planci ), вид, который наносит ущерб Большому Барьерному рифу . Он использует нейронную сеть для идентификации морской звезды и вводит соли желчных кислот , чтобы убить ее. [5]
Технологический университет Квинсленда также разработал AUV RangerBot в качестве предшественника COTSBot, который помогает контролировать Большой Барьерный риф и рифы по всему миру. RangerBot был разработан для развертывания одним человеком и предлагает бортовое видение в реальном времени для навигации, обнаружения препятствий и задач управления. [6]
Многие робототехники создают АНПА в качестве хобби. Существует несколько соревнований, которые позволяют этим самодельным АНПА соревноваться друг с другом, одновременно достигая целей. [7] [8] [9] Как и их коммерческие собратья, эти АНПА могут быть оснащены камерами, фонарями или гидролокаторами. Из-за ограниченности ресурсов и неопытности АНПА для любителей редко могут конкурировать с коммерческими моделями по эксплуатационной глубине, долговечности или сложности. Наконец, эти любительские АНПА обычно не предназначены для плавания по океану, а большую часть времени эксплуатируются в бассейнах или на дне озер. Простой АНПА можно сконструировать из микроконтроллера, герметичного корпуса из ПВХ , привода автоматического дверного замка, шприцев и реле DPDT . [10] Некоторые участники конкурсов создают проекты, основанные на программном обеспечении с открытым исходным кодом. [11]
Подводные лодки, которые самостоятельно добираются до пункта назначения с помощью GPS-навигации, изготовлены незаконными торговцами наркотиками. [12] [13] [14] [15]
Автономные подводные аппараты, например, AUV ABYSS , использовались для поиска обломков пропавших самолетов, например, рейс 447 Air France , [16] , а AUV Bluefin-21 использовался при поиске рейса 370 Malaysia Airlines . [17]
В Генеральном плане беспилотных подводных аппаратов (НПА) ВМС США [18] в 2004 г. были определены следующие миссии НПА:
К 2014 году Генеральный план ВМФ разделил все НПА на четыре класса: [19] [ нужна полная ссылка ]
В 2019 году ВМС заказали пять БПЛА Orca , что стало первым приобретением боеспособных беспилотных подводных лодок. [20]
В 2022–2023 годах, во время вторжения России в Украину , украинские вооруженные силы добились ряда достижений в технологии беспилотных надводных кораблей (БПЛА) с использованием архитектуры автономного управления, иногда с обновлениями телероботов в середине миссии . Применялся в атаке нескольких УСВ на российские корабли ВМФ на Севастопольской военно-морской базе в октябре 2022 года [21] [22] [23] и на российские военно-морские объекты в Новороссийске в ноябре 2022 года [24] , а в августе 2023 года были дополнительно нападения на Новороссийск. [25] [26] В результате этих атак российский военно-морской флот адаптировал как оборону, так и стратегию флота, [27] [28] [29] так, что к январю 2024 года украинский флот разрабатывал АНПА для повышения наступательных возможностей против улучшенных Российская оборона УСВ. [30]
За последние 50 лет или около того были разработаны сотни различных АНПА [31] , но лишь немногие компании продают транспортные средства в сколько-нибудь значительных количествах. На международном рынке продают АНПА около 10 компаний, в том числе Kongsberg Maritime , HII (ранее Hydroid и ранее принадлежавшая Kongsberg Maritime) [32] ), Bluefin Robotics , Teledyne Gavia (ранее известная как Hafmynd), International Submarine Engineering ( ISE) Ltd, Atlas Elektronik , RTsys, [33] MSubs [34] и OceanScan. [35]
Размеры транспортных средств варьируются от переносных легких АНПА до транспортных средств большого диаметра длиной более 10 метров. Большие транспортные средства имеют преимущества с точки зрения долговечности и полезной нагрузки датчиков; Транспортные средства меньшего размера значительно выигрывают от меньшей логистики (например, занимаемая площадь судна поддержки; системы запуска и восстановления).
Некоторые производители, в том числе Bluefin и Kongsberg, получили выгоду от спонсорской поддержки правительства страны. Рынок фактически разделен на три области: научная (включая университеты и исследовательские агентства), оффшорная коммерческая деятельность (шельфовая энергетика, морские полезные ископаемые и т. д.) и оборонная сфера (противоминные меры, подготовка боевого пространства). Большинство этих ролей имеют аналогичную конструкцию и работают в крейсерском (торпедном) режиме. Они собирают данные, следуя заранее запланированному маршруту на скорости от 1 до 4 узлов.
Коммерчески доступные АНПА включают в себя различные конструкции, такие как небольшой АНПА REMUS 100 , первоначально разработанный Океанографическим институтом Вудс-Хоул в США, а теперь коммерчески производимый HII; семейство АНПА HUGIN, включающее HUGIN, HUGIN Edge, HUGIN Superior и HUGIN Endurance, разработанное Kongsberg Maritime и Норвежским оборонным исследовательским институтом ; автомобили Bluefin Robotics диаметром 12 и 21 дюйм (300 и 530 мм); ISE Ltd. Explorer; Solus LR компании Cellula Robotics; АНПА RT Sys Comet и NemoSens; Gavia, Osprey и SeaRaptor от Teledyne; и линейка АНПА L3 Harris Ocean Server Iver.
Большинство АНПА относятся к исследовательскому классу или крейсерским АНПА цилиндрической или торпедной формы с гребным винтом с приводом. Это считается лучшим компромиссом между размером, полезным объемом, гидродинамической эффективностью и простотой обращения. Некоторые автомобили имеют модульную конструкцию, позволяющую операторам легко заменять компоненты. Некоторые недавние разработки отходят от традиционной цилиндрической формы в пользу других конструкций, таких как гибрид R/AUV Saab Sabretooth или недавно выпущенный HUGIN Edge. Они либо оптимизируют форму в соответствии с эксплуатационными требованиями (Sabretooth), либо обеспечивают преимущества гидродинамических характеристик низкого сопротивления (HUGIN Edge).
С 2010 года рынок стал более зрелым, и теперь больше внимания уделяется данным, чем характеристикам транспортных средств. Операторы стали более технически осведомлены, и использование АНПА соответственно возросло. Все больше операторов используют свои системы автономно, а не контролируют транспортные средства с помощью акустической связи. Следовательно, бортовая обработка данных и автономность во время выполнения миссии стали более важными характеристиками АНПА. Большинство АНПА обладают так называемой навигационной или событийной автономией. Они будут следовать географическому плану миссии с отдельными событиями для работы датчиков, изменения курса или возвращения на поверхность. Некоторые АНПА обладают адаптивной автономией, например возможностью корректировать курс, чтобы избежать препятствий на запланированном маршруте. Современный уровень техники представляет собой транспортное средство, которое собирает, обрабатывает и обрабатывает полученные данные без участия оператора.
По состоянию на 2008 год разрабатывается новый класс АНПА, имитирующий конструкции, встречающиеся в природе. Хотя большинство из них в настоящее время находятся на экспериментальной стадии, эти биомиметические (или бионические ) транспортные средства способны достичь более высокой степени эффективности движения и маневренности, копируя успешные конструкции в природе. Двумя такими транспортными средствами являются AquaJelly (AUV) компании Festo [36] и EvoLogics BOSS Manta Ray. [37]
АНПА оснащены датчиками для автономной навигации и составления карты особенностей океана. Типичные датчики включают компасы , датчики глубины, гидролокаторы бокового обзора и другие гидролокаторы , магнитометры , термисторы и датчики проводимости. Некоторые АНПА оснащены биологическими датчиками, включая флуорометры (также известные как датчики хлорофилла ), датчики мутности и датчики для измерения pH и количества растворенного кислорода .
Демонстрация в заливе Монтерей в Калифорнии в сентябре 2006 года показала, что АНПА диаметром 21 дюйм (530 мм) может буксировать группу гидрофонов длиной 400 футов (120 м), сохраняя при этом скорость 6 узлов (11 км/ч). крейсерская скорость. [ нужна цитата ]
Радиоволны не могут проникать в воду очень далеко, поэтому, как только АНПА ныряет, он теряет сигнал GPS. Таким образом, стандартный способ навигации АНПА под водой — это счисление пути . Однако навигацию можно улучшить, используя подводную акустическую систему позиционирования . При работе в сети базовых транспондеров, развернутых на морском дне, это называется LBL-навигацией . Когда доступен наземный ориентир, такой как корабль поддержки, для расчета местоположения подводного аппарата относительно известного ( GPS ) местоположения надводного корабля используется позиционирование по сверхкороткой базовой линии (USBL) или короткой базовой линии (SBL). посредством измерения акустической дальности и пеленга. Чтобы улучшить оценку своего положения и уменьшить ошибки в счислении пути (которые со временем растут), АНПА также может всплывать и самостоятельно определять координаты GPS. Между фиксацией положения и для точного маневрирования инерциальная навигационная система на борту АНПА рассчитывает путем точного расчета положение, ускорение и скорость АНПА. Оценки могут быть сделаны с использованием данных из блока инерциальных измерений и могут быть улучшены путем добавления доплеровского журнала скорости (DVL), который измеряет скорость перемещения по дну моря/озера. Обычно датчик давления измеряет вертикальное положение (глубину автомобиля), хотя глубину и высоту также можно получить из измерений DVL. Эти наблюдения фильтруются для определения окончательного навигационного решения.
Существует несколько методов движения для АНПА. Некоторые из них используют щеточный или бесщеточный электродвигатель , коробку передач, манжетное уплотнение и гребной винт, который может быть окружен соплом или нет. Все эти части, встроенные в конструкцию АНПА, участвуют в движении. В других транспортных средствах для сохранения модульности используется подруливающее устройство . В зависимости от необходимости подруливающее устройство может быть оснащено соплом для защиты от столкновения с винтом или для снижения уровня шума, или оно может быть оснащено подруливающим устройством с прямым приводом, чтобы поддерживать эффективность на самом высоком уровне и шум на самом низком уровне. [38] Усовершенствованные двигатели AUV имеют резервную систему уплотнений вала, гарантирующую надлежащее уплотнение робота, даже если одно из уплотнений выйдет из строя во время миссии. [ нужна цитата ]
Подводные планеры не двигаются напрямую. Меняя плавучесть и дифферент, они неоднократно тонут и всплывают; «Крылья» аэродинамического профиля преобразуют это движение вверх и вниз в движение вперед. Изменение плавучести обычно осуществляется с помощью насоса, который может всасывать или выталкивать воду. Наклон автомобиля можно контролировать, перемещая центр массы автомобиля. В планерах Slocum это делается внутри, перемещая батареи, которые крепятся на винте. [39] Из-за их низкой скорости и маломощной электроники энергия, необходимая для переключения состояний дифферента, намного меньше, чем для обычных АНПА, а планеры могут иметь запас хода в несколько месяцев и трансокеанские дальности. [ нужна цитата ]
Поскольку радиоволны плохо распространяются под водой, многие АНПА оснащены акустическими модемами, обеспечивающими дистанционное управление и контроль. Эти модемы обычно используют собственные методы связи и схемы модуляции. В 2017 году НАТО ратифицировала стандарт подводной связи ANEP-87 JANUS . Этот стандарт допускает 80 каналов связи BPS с гибким и расширяемым форматированием сообщений. [ нужна цитация ] Изучаются альтернативные методы связи, включая оптические, индуктивные и радиочастотные методы, которые могут быть объединены в мультимодальные решения. [40] Также проводятся оценки новых методов связи, которые позволяют использовать инфраструктуру в качестве канала связи для обеспечения альтернативных путей связи и возможностей транспортных средств. [41]
Большинство АНПА, используемых сегодня, питаются от перезаряжаемых батарей ( литий-ионных , литий-полимерных , никель-металлогидридных и т. д.) и оснащены той или иной системой управления батареями . В некоторых транспортных средствах используются первичные батареи , которые обеспечивают, возможно, вдвое больший срок службы, но при этом за одну миссию приходится платить значительную сумму. Раньше в некоторых системах использовались полутопливные элементы на основе алюминия , но они требуют серьезного обслуживания, требуют дорогостоящих заправок и производят отходы, с которыми необходимо обращаться безопасно. Новая тенденция заключается в объединении различных аккумуляторов и систем питания с суперконденсаторами . [ нужна цитата ]
