Об этом сообщила пресс-служба вуза.
Результаты исследования опубликованы в сборнике «Автоматизированные системы управления и информационные технологии».
Новый малогабаритный БППА
Ученые Пермского Политеха предложили конструкцию малогабаритного беспилотного подводного аппарата (БППА). В отличие от существующих решений, он способен работать автономно не менее 1 часа. При этом его вес и стоимость будут примерно в 2-3 раза ниже существующих моделей БППА за счет использования 3D-печати вместо литья металлом. Устройство рассчитано на глубину до 100 м и подходит для исследования прибрежных территорий.Исследователи отказались от классической цилиндрической формы корпуса, которая используется в большинстве подобных устройств, в пользу более обтекаемой. Такое решение снижает сопротивление воды и позволяет двигаться эффективнее.
Также вместо обычного винта исследователи внедрили водомет. Технология работы водомета: вода засасывается внутрь и с силой выбрасывается назад через наконечник, который можно направлять в разные стороны. Благодаря этому аппарат может плыть не только прямо, но и мгновенно менять курс. Но главное, что водомет создает меньше сопротивления и позволяет экономить заряд аккумулятора, увеличивая время автономной работы.
Чтобы протестировать решение, исследователи построили трехмерную модель и провели виртуальные испытания в условиях, максимально приближенных к реальным: течение и гидродинамические нагрузки, характерные для прибрежной зоны. Они также взяли для расчетов глубину вплоть до 100 м. Такую величину выбрали с запасом, чтобы проверить, сохраняет ли конструкция устойчивость к разрушению корпуса и управляемость при более сильном давлении.
Расчеты подтвердили, что аппарат устойчив при движении, а обтекаемая форма обеспечивает низкое сопротивление и равномерное распределение нагрузки, что предотвращает деформацию и потерю герметичности.
Тезисы П. Кулешова, доцента кафедры информационных технологий и автоматизированных систем Пермского Политеха, кандидата технических наук
В дополнение к новой конструкции была разработана умная система управления. Если устройство начинает наклоняться вперед, назад или в сторону, система возвращает его в ровное положение. Это поможет аппарату устойчиво держаться на глубине и не сбиваться с курса даже при сильном течении.Вес готового аппарата по предварительным оценкам составит всего 10 кг. Для сравнения, масса большинства существующих аналогов достигает 30-50 кг.
Такой результат станет возможен в том числе благодаря применению 3D-печати из полимера. Обычно корпуса подводных аппаратов делают из стали или титановых сплавов, чтобы они выдерживали давление. Однако современные композитные материалы по прочности сопоставимы с металлами, но при этом значительно легче. Это позволит снизить стоимость устройства примерно в 2-3 раза без потери надежности.
Контекст
Беспилотные подводные аппараты (БППА) применяются для изучения морского дна, экологического мониторинга, а также контроля состояния портов, мостов, трубопроводов и кабелей. Для таких задач они должны быть легкими и компактными, особенно при работе в стесненных условиях, например, между конструкциями или на мелководье. Помогают осваивать континентальный шельф, контролировать экологию и развивать морскую навигацию. С их помощью можно картографировать рельеф дна, изучать экосистемы и выполнять поисковые операции. Важны такие устройства для диагностики подводных объектов. Газопроводы, портовые сооружения, мостовые переходы и кабели связи пролегают вдоль береговой линии и нуждаются в постоянном контроле. Часто необитаемые аппараты оказываются единственным решением для этих задач, поскольку могут работать подо льдом, при сильном загрязнении или течении, то есть там, где труд водолаза невозможен или опасен.Основные проблемы, преследующие малогабаритные автономные подводные аппараты, можно разделить на пять критических категорий:
1. Узкое место, связанное с размером, весом и энергопотреблением. Доступный внутренний объем сильно ограничен. Есть жесткие ограничения по емкости и времени автономной работы БППА. Поскольку емкость батарей зависит от объема, небольшие БППА не могут перевозить тяжелые аккумуляторные батареи. Это ограничивает время их работы несколькими часами по сравнению с днями или неделями для более крупных аппаратов.
Стандартные высокоточные подводные датчики, такие как доплеровские измерители скорости (DVL), волоконно-оптические гироскопы (FOG) и донные профилографы, слишком велики, тяжелы и энергоемки для мини-БППА. Поэтому используют менее точные микроэлектромеханическими системы (MEMS), которые подвержены значительному дрейфу данных. Малые БППА не обладают достаточными возможностями для отвода тепла и запасом энергии для работы высокопроизводительных бортовых компьютеров, поэтому о выполнении сложных алгоритмов искусственного интеллекта, трехмерного компьютерного зрения или одновременной локализации и картографирования в реальном времени (SLAM) приходится забывать.
2. Проблемы локализации и навигации. Радиоволны и сигналы GPS не проникают сквозь воду, что вынуждает БППА полагаться на подводные методы, которые трудно реализовать на небольших корпусах.
3. Суровые условия подводной связи. Подводный обмен данными почти полностью основан на акустических (звуковых) волнах. Акустическая связь - медленная (низкая пропускная способность), страдает от значительных задержек распространения (высокая задержка) и подвержена искажению сигнала из-за отражений от морского дна или поверхности воды. Малый БППА не может передавать видео в реальном времени или данные гидролокатора высокого разрешения обратно на поверхность. В случае возникновения проблемы он часто не может предупредить оператора до тех пор, пока физически не всплывет на поверхность.
4. Гидродинамика и экологическая уязвимость. Малые БППА легко сбить с курса океанскими течениями, приливами или волнами, особенно на мелководье или в прибрежных водах. По мере уменьшения размеров объектов их отношение площади поверхности к объему увеличивается. Это означает, что Малые БППА испытывают пропорционально большее гидродинамическое сопротивление, поскольку у них больше отношение площади поверхности к объему. Это увеличивает потребление энергии при движении.
5. Проблемы восприятия и видимости. Вода быстро поглощает и рассеивает свет, ухудшая качество изображения на камере. У малых БППА нет достаточной мощности аккумуляторов для установки тяжелых светодиодных матриц высокой интенсивности, необходимых для работы в мутной воде. Нет места и для установки больших гидролокаторов переднего обзора, поэтому риски столкновения с препятствиями или запутывания в канатах и морском мусоре довольно велики.
Существующие модели способны функционировать лишь около 30-40 мин. Этого времени часто не хватает для полноценной инспекции. В результате приходится проводить повторные погружения, что удорожает работы и увеличивает их продолжительность. В итоге на обследование одного объекта может уходить несколько дней, а стоимость работ оказывается крайне высокой.
В основном подобные конструкции компактны и рассчитаны на глубину до 50-300 м, что подходит для прибрежных зон.
Попытки инженеров увеличить продолжительность погружения или улучшить устойчивость приводят к сильному усложнению и утяжелению конструкции. Она перестает быть удобной и компактной, что мешает использовать ее в стесненных водных условиях. Сегодня в мире этот технологический тупик остается нерешенным: не существует серийных моделей, которые были бы одновременно легкими, эффективными и недорогими.
Пермяки считают, что новая конструкция в будущем сможет применяться для широкого круга задач: инспекции подводных трубопроводов, портовых сооружений, картографии дна или экологического мониторинга. Следующий этап - проведение физических испытаний в водоемах. Это позволит проверить работу всех систем в реальных условиях и улучшить конструкцию перед запуском в серийное производство.
Прибрежные акватории отличаются сложным рельефом, переменчивыми течениями и высокой плотностью инфраструктуры. Поэтому компактные автономные аппараты востребованы для регулярного обследования портов, кабелей и трубопроводов, где доступ водолазов ограничен или связан с повышенным риском.
Автор: А. Шевченко
