Автономный подводный аппарат ( AUV ) — это робот , который перемещается под водой, не требуя постоянного ввода данных от оператора. AUV составляют часть более крупной группы подводных систем, известных как беспилотные подводные аппараты , классификация, которая включает неавтономные дистанционно управляемые подводные аппараты (ROV) — управляемые и питаемые с поверхности оператором/пилотом через шлангокабель или с помощью дистанционного управления. В военных приложениях AUV чаще называют беспилотным подводным аппаратом ( UUV ). Подводные планеры являются подклассом AUV.
Первый AUV был разработан в Лаборатории прикладной физики Вашингтонского университета еще в 1957 году Стэном Мерфи, Бобом Франсуа и позднее Терри Эвартом. «Самоходный подводный исследовательский аппарат», или SPURV , использовался для изучения диффузии, акустической передачи и следов подводных лодок.
Другие ранние АНПА были разработаны в Массачусетском технологическом институте в 1970-х годах. Один из них экспонируется в галерее Hart Nautical Gallery в Массачусетском технологическом институте. В то же время АНПА разрабатывались и в Советском Союзе [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, чем пилотируемые аппараты. За последние годы было предпринято множество попыток разработать подводные аппараты для решения задач программ разведки и добычи в океанах. В последнее время исследователи сосредоточились на разработке AUV для долгосрочного сбора данных в океанографии и прибрежном управлении. [2]
Нефтегазовая промышленность использует AUV для создания подробных карт морского дна до начала строительства подводной инфраструктуры; трубопроводы и подводные достройки могут быть установлены наиболее экономически эффективным способом с минимальным нарушением окружающей среды. AUV позволяет компаниям, занимающимся геодезическими работами, проводить точные обследования районов, где традиционные батиметрические обследования были бы менее эффективными или слишком дорогими. Кроме того, теперь возможны обследования после укладки труб, которые включают осмотр трубопровода. Использование AUV для осмотра трубопроводов и осмотра подводных искусственных сооружений становится все более распространенным. [ необходима цитата ] Также разрабатываются AUV для потенциальной добычи полезных ископаемых на морском дне и/или сбора полиметаллических конкреций . [3]
Ученые используют AUV для изучения озер, океанов и морского дна. На AUV можно прикрепить различные датчики для измерения концентрации различных элементов или соединений, поглощения или отражения света и наличия микроскопической жизни. Примерами служат датчики проводимости-температуры-глубины (CTD), флуорометры и датчики pH . Кроме того, AUV можно настроить как буксирные транспортные средства для доставки индивидуальных пакетов датчиков в определенные места.
Лаборатория прикладной физики Вашингтонского университета создавала итерации 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, является показателем большинства платформ AUV, которые будут иметь успех в бесчисленном количестве приложений. [4] [ обтекаемые слова ] [ неопределенные ] [ требуется разъяснение ]
Примером AUV, напрямую взаимодействующего с окружающей средой, является робот-звезда Crown-Of-Thorns ( COTSBot ), созданный Технологическим университетом Квинсленда (QUT). COTSBot находит и уничтожает морскую звезду Crown-of-Thorn ( Acanthaster planci ), вид, который наносит ущерб Большому Барьерному рифу . Он использует нейронную сеть для идентификации морской звезды и вводит желчные соли , чтобы убить ее. [5]
Технологический университет Квинсленда также разработал RangerBot AUV как предшественника COTSBot для мониторинга Большого Барьерного рифа и рифов по всему миру. RangerBot был разработан для развертывания одним человеком и предлагает бортовое зрение в реальном времени для навигации, обнаружения препятствий и задач управления. [6]
Многие робототехники строят АНПА в качестве хобби. Существует несколько соревнований, которые позволяют этим самодельным АНПА соревноваться друг с другом, выполняя задачи. [7] [8] [9] Как и их коммерческие собратья, эти АНПА могут быть оснащены камерами, огнями или гидролокаторами. Вследствие ограниченных ресурсов и неопытности любительские АНПА редко могут конкурировать с коммерческими моделями по рабочей глубине, долговечности или сложности. Наконец, эти любительские АНПА обычно не являются океанскими, большую часть времени эксплуатируясь в бассейнах или на дне озер. Простой АНПА можно построить из микроконтроллера, корпуса из ПВХ , автоматического привода дверного замка, шприцов и реле DPDT . [10] Некоторые участники соревнований создают конструкции, которые полагаются на программное обеспечение с открытым исходным кодом. [11]
Подводные лодки, которые автономно перемещаются к месту назначения с помощью GPS-навигации, были созданы нелегальными наркоторговцами. [12] [13] [14] [15]
Автономные подводные аппараты, например, AUV ABYSS , использовались для поиска обломков пропавших самолетов, например, рейса 447 авиакомпании Air France [16] , а AUV Bluefin-21 использовался для поиска рейса 370 авиакомпании Malaysia Airlines [17] .
Генеральный план ВМС США по беспилотным подводным аппаратам (БПА) [18] определил следующие миссии БПА в 2004 году:
К 2014 году Генеральный план ВМС разделил все БПА на четыре класса: [19] [ необходима полная ссылка ]
В 2019 году ВМС заказали пять беспилотных подводных лодок Orca , что стало первым приобретением беспилотных подводных лодок с боеспособностью. [20]
В 2022–23 годах во время российского вторжения в Украину украинские вооруженные силы добились ряда успехов в технологии беспилотных надводных судов (БПС) с использованием архитектуры автономного управления, иногда с телероботизированными обновлениями в середине миссии . Использовались в атаке нескольких БПС на российские военно-морские суда 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 дополнительные атаки на Новороссийск. [25] [26] Российский флот адаптировал как оборону, так и стратегию флота в результате этих атак [27] [28] [29] таким образом, что к январю 2024 года украинский флот разрабатывал АПА для повышения наступательной способности против улучшенной российской обороны БПС. [30]
За последние 50 лет или около того были разработаны сотни различных AUV, [31] но лишь несколько компаний продают аппараты в сколько-нибудь значительных количествах. На международном рынке AUV продают около 10 компаний, в том числе Kongsberg Maritime , HII (ранее Hydroid, 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 легких переносных АНПА до крупных транспортных средств диаметром более 10 метров. Большие транспортные средства имеют преимущества с точки зрения выносливости и грузоподъемности сенсоров; меньшие транспортные средства значительно выигрывают от меньшей логистики (например: площадь опорного судна; системы запуска и восстановления).
Некоторые производители извлекли выгоду из спонсорства внутренних правительств, включая Bluefin и Kongsberg. Рынок фактически разделен на три области: научная (включая университеты и исследовательские агентства), коммерческая оффшорная (морская энергетика, морские минералы и т. д.) и оборонные приложения (противоминные меры, подготовка боевого пространства). Большинство этих ролей используют схожую конструкцию и работают в круизном (торпедном) режиме. Они собирают данные, следуя по заранее запланированному маршруту со скоростью от 1 до 4 узлов.
Коммерчески доступные АНПА включают в себя различные конструкции, такие как небольшой АНПА REMUS 100, изначально разработанный Океанографическим институтом Вудс-Хоул в США и в настоящее время серийно выпускаемый HII; семейство АНПА HUGIN, включающее HUGIN, HUGIN Edge, HUGIN Superior и HUGIN Endurance, разработанное Конгсбергским морским и Норвежским оборонным исследовательским центром ; аппараты Bluefin Robotics диаметром 12 и 21 дюйм (300 и 530 мм); Explorer от ISE Ltd.; Solus LR от Cellula Robotics; АНПА RT Sys Comet и NemoSens; Gavia, Osprey и SeaRaptor от Teledyne; а также линейка АНПА L3 Harris Ocean Server Iver.
Большинство AUV относятся к классу обзорных или крейсерских AUV, цилиндрической или торпедной формы с приводным винтом. Это рассматривается как наилучший компромисс между размером, полезным объемом, гидродинамической эффективностью и простотой управления. Есть некоторые транспортные средства, которые используют модульную конструкцию, что позволяет операторам легко менять компоненты. Некоторые недавние разработки отходят от традиционной цилиндрической формы в пользу других конструкций, таких как гибридный R/AUV Sabretooth от Saab или недавно выпущенный HUGIN Edge. Они либо оптимизируют форму в соответствии с эксплуатационными требованиями (Sabretooth), либо извлекают выгоду из гидродинамических характеристик с низким сопротивлением (HUGIN Edge).
Рынок созрел с 2010 года, и больше внимания уделяется данным, чем характеристикам транспортных средств. Операторы стали более технически подкованными, и использование AUV соразмерно возросло. Все больше операторов используют свои системы автономно, а не контролируют транспортные средства с помощью акустической связи. Следовательно, бортовая обработка и автономность в ходе миссии стали более важными функциями для AUV. Большинство AUV обладают тем, что считается навигационной или событийной автономностью. Они будут следовать географическому плану миссии с отдельными событиями для работы датчиков, изменения курса или возвращения на поверхность. Некоторые AUV обладают адаптивной автономностью, например, способностью корректировать курс, чтобы избегать препятствий на запланированном маршруте. Текущее состояние техники — это транспортное средство, которое собирает, обрабатывает и действует на основе полученных данных без участия оператора.
Начиная с 2008 года разрабатывается новый класс AUV, которые имитируют конструкции, найденные в природе. Хотя большинство из них в настоящее время находятся на экспериментальной стадии, эти биомиметические (или бионические ) транспортные средства способны достигать более высокой степени эффективности в движении и маневренности, копируя успешные конструкции в природе. Два таких транспортных средства — AquaJelly (AUV) от Festo [36] и EvoLogics BOSS Manta Ray. [37]
AUV несут датчики для автономной навигации и картографирования особенностей океана. Типичные датчики включают компасы , датчики глубины, гидролокаторы бокового обзора и другие сонары , магнитометры , термисторы и зонды проводимости. Некоторые AUV 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 , штат Калифорния, в сентябре 2006 года показала, что АНПА диаметром 21 дюйм (530 мм) может буксировать 400-футовую (120 м) гидрофонную решетку, сохраняя при этом крейсерскую скорость 6 узлов (11 км/ч). [ необходима цитата ]
Радиоволны не могут проникать в воду очень далеко, поэтому как только AUV погружается, он теряет свой сигнал GPS. Поэтому стандартным способом навигации AUV под водой является счисление пути . Однако навигацию можно улучшить, используя подводную акустическую систему позиционирования . При работе в сети базовых транспондеров, развернутых на морском дне, это известно как навигация LBL . Когда доступна поверхностная привязка, такая как судно поддержки, используется позиционирование по сверхкороткой базовой линии (USBL) или короткой базовой линии (SBL) для расчета местоположения подводного аппарата относительно известного ( GPS ) положения надводного судна с помощью акустического диапазона и измерений пеленга. Для улучшения оценки своего положения и уменьшения ошибок в счислении пути (которые со временем растут) AUV также может всплывать и выполнять собственное определение местоположения GPS. Между определением местоположения и для точного маневрирования инерциальная навигационная система на борту AUV вычисляет с помощью счисления пути положение AUV, ускорение и скорость. Оценки можно делать с использованием данных из Inertial Measurement Unit , и их можно улучшить, добавив Doppler Velocity Log (DVL), который измеряет скорость перемещения по дну моря/озера. Обычно датчик давления измеряет вертикальное положение (глубину транспортного средства), хотя глубину и высоту также можно получить из измерений DVL. Эти наблюдения фильтруются для определения окончательного навигационного решения.
Существует несколько методов движения для AUV. Некоторые из них используют щеточный или бесщеточный электродвигатель , коробку передач, манжетное уплотнение и пропеллер, который может быть окружен соплом или нет. Все эти детали, встроенные в конструкцию AUV, участвуют в движении. Другие транспортные средства используют подруливающий блок для поддержания модульности. В зависимости от необходимости подруливающий двигатель может быть оснащен соплом для защиты от столкновения пропеллера или для снижения уровня шума, или он может быть оснащен подруливающим двигателем с прямым приводом для поддержания эффективности на самом высоком уровне и шума на самом низком уровне. [38] Усовершенствованные подруливающие устройства AUV имеют избыточную систему уплотнения вала, чтобы гарантировать надлежащее уплотнение робота, даже если одно из уплотнений выйдет из строя во время миссии. [ необходима цитата ]
Подводные планеры не движутся напрямую. Изменяя свою плавучесть и дифферент, они многократно погружаются и поднимаются; аэродинамические «крылья» преобразуют это движение вверх-вниз в движение вперед. Изменение плавучести обычно осуществляется с помощью насоса, который может всасывать или выталкивать воду. Тангаж транспортного средства можно контролировать, перемещая центр масс транспортного средства. Для планеров Slocum это делается изнутри, перемещая батареи, которые установлены на винте. [39] Из-за их низкой скорости и маломощной электроники энергия, необходимая для циклического изменения дифферента, намного меньше, чем для обычных AUV, и планеры могут иметь выносливость в течение месяцев и трансокеанские диапазоны. [ требуется ссылка ]
Поскольку радиоволны плохо распространяются под водой, многие AUV оснащены акустическими модемами для обеспечения дистанционного управления и контроля. Эти модемы обычно используют фирменные методы связи и схемы модуляции. В 2017 году НАТО ратифицировало стандарт ANEP-87 JANUS для подводной связи. Этот стандарт допускает каналы связи со скоростью 80 бит/с с гибким и расширяемым форматированием сообщений. [ необходима цитата ] Изучаются альтернативные методы связи, включая оптические, индуктивные и основанные на радиочастотах методы, которые могут быть объединены в многомодальные решения. [40] Также проводятся оценки новых методов связи, которые могут использовать инфраструктуру в качестве пути связи для предоставления альтернативных путей связи и возможностей с транспортных средств. [41]
Большинство современных АПА питаются от перезаряжаемых батарей ( литий-ионных , литий-полимерных , никель-металл-гидридных и т. д.) и оснащены некоторой системой управления батареями . Некоторые транспортные средства используют первичные батареи , которые обеспечивают, возможно, вдвое большую выносливость — при существенной дополнительной стоимости за миссию. Ранее некоторые системы использовали полу- топливные элементы на основе алюминия , но они требуют существенного обслуживания, требуют дорогостоящей заправки и производят отходы, с которыми необходимо безопасно обращаться. Новая тенденция заключается в объединении различных батарей и систем питания с суперконденсаторами . [ требуется цитата ]
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )