Морские робототехнические комплексы военного и специального назначения. III. Классификация мобильных роботов. Вопросы терминологии и классификации

Принято делить беспилотные (необитаемые) аппараты, используемые на флотах (военно-морскими силами) по среде применения на надводные и подводные, а также на телеуправляемые и автономные. Также на обитаемых кораблях могут использоваться различные роботизированные системы.
Разработаны абордажные роботы, торпеды, способные автоматически атаковать корабли заданного типа, поисковые катера, противолодочные, дроны-мишени для обучения экипажей кораблей стрельбам или испытаний систем автоматического вооружения, средства разминирования и т.д. Разнообразие подводных аппаратов вскоре, как ожидается, пополнят подводные робокапсулы с различной полезной нагрузкой - от дронов до ракет.

Классификация, история, тренды

В зависимости от основого назначения морские военные аппараты делятся на следующие категории:

Поисковые и разведывательные устройства для обследования морского дна и других объектов. Могут действовать автономно или в режиме телеуправления. Одна из основных задач - противодействие минированию, обнаружение, классификация и локализация мин.

Ударные подводные роботы. Предназначены для борьбы с вражескими кораблями и подлодками и т.п.

Подводные "закладки" - робокапсулы, находящиеся под водой на дежурстве в течение многих недель или лет, которые по сигналу всплывают и активируют ту или иную полезную нагрузку.

Надводные устройства для патрулирования и обнаружения надводной враждебной активности в контролируемых водах

Надводные устройства для автоматического выявления и сопровождения подлодок

Автоматизированные огневые системы для борьбы с быстролетящими целяями.

Устройства для борьба с пиратами, контрабандистами и террористами. При обнаружении любой из опасных ситуаций такой робот может дать сигнал в центр управления. Если робот несет на себе вооружение, то получив сигнал командного центра, он может применить по цели бортовые системы вооружения.

Абордажные роботы, способные обеспечить быстрое попадание специальных подразделений на борт корабля

Роботизированные торпеды, способные автоматически распознавать тип корбаля определенного вида и атаковать его по команде оператора или без нее.

По форм-фактору морские роботы можно разделить на:

Роботизированные телеуправляемые катера

Роботизированные автономные надводные устройства различных конструкций

Подводные телеуправляемые необитаемые устройства

Подводные автономные необитаемые устройства

Абордажные роботы

Робокапсулы для сохранения полезной нагрузке на позиции под водой в готовом к эксплуатации режиме

Дроны-мишени для тренировки экипажей

Роботизированные торпеды

Гибридные конструкции, способные работать как подводная лодка и как надводный катер

История, тренды

2017

2005

PMS 325 USV Sweep System - разработка для ВМС США, как поддержка для кораблей прибрежной зоны.

Разрабатываются высокоскоростные надводные беспилотники на воздушных крыльях USSV-HS и низкоскоростные - USSV-LS.

2004

С 2004 года действует система корабельная система противоракетной обороны Aegis, способная автоматически обнаруживать и контратаковать направляющиеся к кораблям ракеты.

2003

В США начали использовать автономных роботов для поиска подводных мин.

Выпущены телеуправляемые катера Owl MK II, Navtek Inc. для использования в системах обеспечения безопасности порта.

Разработан телеуправляемый катер Spartan, совместно разработчиками из США, Франции и Сингапура для проверки технологий. Выпущено две версии - 7 м и 11 м. Модульные, многоцелевые, реконфигурируемые под текущую задачу.

Анонсирован беспилотный катер Radix Odyssey, дальнейшей информации о нем не встречается.

1990-е

В США появляется надводная телеуправляемая цель, запускаемая с борта корабля, SDST. Позднее она будет переименована в Roboski.

1980-е

На кораблях ВМС США с 80-х годов используются автоматические зенитно-артиллерийские комплексы Mark 15 Phalanx - многоствольные роботизированные орудия, наводящиеся по сигналу радара.

Флоты США Нидерландов, Объединенного Королевства, Дании, Швеции используют телеуправляемые катера для разминирования.

1950-е

В 1954 году создан удачный Высокоскоростной маневренный морской минный трал в США. Известны проекты мобильных беспилотных целей - QST-33, QST-34, QST-35/35A Septar и HSMST (High-speed maneuverable seaborne target), США.

1940-е

В 1944 году были созданы радиоуправляемые бранедры Ferngelenkte Sprenboote в Германии. Разработки радиуправляемых торпед Comox шли в Канаде, аналогичные работы проводили Франция и США.

1930-е

Появление в РСФСР телеуправляемых по радио катеров Вольт и Вольт-Р. Разработка Особого технического бюро под руководством Владимира Ивановича Бекаури (1882-1938). Радиостанция "У", электромеханический рулевой "элемру". Недостатком было отсутствие обратной связи - катера не передавали центру управления каких-либо сигналов, наведение их на цель осуществлялось визуально, дистанционно.

В 1935 году появился торпедный катер Г-5 советского производства.

1920-е

Под руководством А. Туполева в конце 20-х годов в РСФСР прошлого века были созданы радиоуправляемые торпедные катера Ш-4 с двумя торпедами на борту, дюралевые, без кают и кубриков. Радиоаппаратурой занимался А.Шорин. Выпускались дивизионами. Позднее катерами стали управлять с гидросамолетов МБР-2, летящих на высоте 2 тысячи метров.

1898

Известна "торпедная лодка" Николы Тесла, которую изобретатель называл "теле-автоматом". Прототип катера управлялся дистанционно по-радио, модель приводилась в движение электродвигателем. Аппарат демонстрировали на Electrical Show в Нью-Йорке. Проект финансировал Морган, разработкой конструкции лодки занимался архитектор Stanford White, Тесла руководил проектом и обеспечивал всю "электрику" и "радио" изделия. Длина лодки-прототипа 1.8 м. Полезной нагрузкой должна была быть взрывчатка. Идея не была востребована военным министерством США. У Тесла был патент под названием "Методы контроля и управляющие устройства для радиоуправляемых плавательных средств и колесных экипажей".

еще ранее

Прообразом беспилотных военных морских средств были брандеры - плавающие средства, загруженные горючими материалами, подожженые и направленные в сторону неприятельского флота с целью вызвать загорание или взрывы вражеских кораблей. До изобретения радио, они были неуправляемыми.

Известные проблемы

Стабильность платформ

Стандартизация полезной нагрузки

Стандартные интерфейсы с судами-матками

Юридические проблемы (Оттавская конвенция, брошенные суда)

Создание с нуля, как беспилотника или переделки обитаемых средств в беспилотные

Список сокращений.

Введение.

1. Вопросы терминологии и классификации.

2. Исторический экскурс.

2.1. Развитие МРТ за рубежом.

2.2. Развитие отечественной МРТ.

3. Особенности и перспективы применяемых технологий.

3.1. Связь и взаимодействие.

3.2. Навигация.

3.3. Движители.

4. Применение МРТ в военных целях.

5. Применение МРТ при работах на шельфе.

6. Беспроводные сенсорные сети и их применение в море.

7. Сообщества взаимодействующих роботов

8. Морская робототехника + дополненная реальность.

Заключение.

Литература.

Приложения. Приложение 1. «Каталог отечественных и зарубежных ТНПА». Приложение 2. «Каталог отечественных и зарубежных АНПА».

Список сокращений.

АНПА – автономный необитаемый подводный аппарат

ТНПА – телеуправляемый необитаемый подводный аппарат

ИНС – инерциальная навигационная система

ГАНС – гидроакустическая навигационная система

ГАНС ДБ – ГАНС с длинной базой

ГАНС КБ – ГАНС с короткой базой

ГАНС УКБ – ГАНС с ультракороткой базой

НПА – необитаемый подводный аппарат

ППА – приемо-передающая антенна

ОПА – обитаемый подводный аппарат

AR (augmented reality) – дополненная реальность

AUV (autonomous underwater vehicle) – автономный подводный аппарат

ROV (remotely operated vehicle) – дистанционно управляемый аппарат (двигающийся)

SAUV (sun autonomous underwater vehicle) – АНПА на солнечной батарее

UUV (Unmanned Underwater Vehicle) – необитаемый подводный аппарат

USV (Unmanned Surface Vehicle) – необитаемый надводный аппарат

UXV (Unmanned Generic Vehicle) – необитаемый аппарат общего (любого) класса

Введение

Если в детстве вы потеряли иголку в стоге сена, то найдете ее, в лучшем случае, к моменту выхода на пенсию. Но если на решение этой задачи мобилизовать обитателей ближайшего муравейника, то иглу вам принесут через две минуты. Проверено не раз. Если же с муравьями договориться не удалось, то можно привлечь студентов технического вуза, увлеченных робототехникой. Им вполне по силам создать группу миниатюрных устройств, оснащенных магнитными датчиками, способных передвигаться и взаимодействовать друг с другом. Создание роботов, способных взаимодействовать друг с другом в целях наиболее эффективного решения поставленной задачи - это новое направление в развитии робототехники, названное «стайные роботы», апологеты которого обещают прямо таки революцию в решении множества трудоемких задач. О стайных роботах речь пойдет в предпоследней главе нашего обзора. Кстати, если стайных роботов лишить возможности передвигаться, то мы перейдем к другой, тоже перспективной, но предшествующей им по времени, научно-практической теме - к теме беспроводных сенсорных сетей.

На этом направлении уже достигнуты интересные практические результаты. Принципы построения и примеры реализации сетей мы представим в 6-й главе обзора.

Тем временем, пора вспомнить, что наш обзор посвящен применению робототехники именно в море, а не на суше или в поднебесье, т.е. придется представить себе поиск иголки не в стоге сена, а на плантации водорослей, что покажется задачей более трудоемкой. В воде практически не работает Wi-Fi, крайне затруднено распространение электромагнитных волн, сложно использовать оптический канал, т.е. вопросы связи, взаимодействия, навигации, наблюдения и пр. приобретают свою, сугубо морскую специфику. Особенностям реализации связи, взаимодействия, навигации, движителей, сенсоров и манипуляторов в морских роботах посвящена 3-я глава обзора.

Современные робототехнические системы находят применение практически во всех областях подводно-технических работ. Однако главными сферами их применения являются: военная, работы по добыче и транспортировке топливно-сырьевых ресурсов, поисково-спасательные работы и океанологические исследования. С особенностями их использования в этих областях и примерами применения можно ознакомиться в 4 – 5 главах обзора. Именно в этих областях в последние годы достигнут наибольший прогресс в части применения новых технологий связи и навигации подводных аппаратов, оснащения новыми датчиками и манипуляторами, повышения эффективности управления и технического обслуживания. В Приложении представлен каталог современных ТНПА и АНПА.

Так почему же мы не видим на полях страны роботов, ищущих иглы в стогах? Да потому, что никто не ставил перед ними таких задач. Видимо иглы перестали теряться. А если говорить серьезно, то постановка задач, выработка сценариев по использованию робототехники в решении практических проблем, в том числе и с учетом перспектив развития этого направления, является важнейшей организационной задачей. Недаром, в планах Пентагона на ближайшие годы проектам по выработке концепций применения робототехники в армии придается такая же важность, как и проектам по разработке самих роботов. Более того, они имеют приоритет, так как способны придать стимул и определить направление проектирования роботизированных систем. Свои предложения по этому вопросу и другим проблемам развития морской робототехники (МРТ) в России мы представим в Заключении к данному обзору.

Освоение глубин Мирового океана – задача не менее сложная и опасная, чем освоение космического пространства. А по экономической и экологической важности даже более приоритетная. В решении этой задачи морская робототехника призвана играть роль не просто помощника человека, а полноправного участника, так как должна не просто сделать глубины океана более доступными и безопасными для человека, но взвалить на свои плечи основной объем работ по их изучению и освоению.

1. Вопросы терминологии и классификации.

В области морской робототехники пока не выработано единой общепризнанной терминологии. Некоторые специалисты используют словосочетания, где базовым является слово «робот», например: морские роботы, морская робототехника, робототехнические комплексы или системы и пр. Другие стремятся обойтись без термина «робот», упирая на более этимологически внятные словосочетания, например «необитаемый подводный аппарат» (НПА). В данном обзоре мы будем придерживаться терминологии, вышедшей из трудов М.Д Агеева и его коллег по Институту проблем морских технологий ДВО РАН, который он возглавлял с 1988 по 2005г., отдавая дань их вкладу в развитие отечественной морской робототехники. Это такие термины, как «необитаемый подводный аппарат» (НПА), «телеуправляемый необитаемый подводный аппарат» (ТНПА), «автономный необитаемый подводный аппарат» (АНПА) и ряд других. Вместе с тем, в тексте вы встретите и всевозможные «роботизированные» термины, дабы не искажать идей и выводов авторов, использовавших их в своих работах. Как бы там ни было, мы не видим здесь большого противоречия, ведь НПА – это всего лишь аппарат, работающий под водой (или на поверхности моря, или даже над водной гладью – морской беспилотник), а роботизированный комплекс или система – это уже и судно поддержки и м.б. система навигационных маяков, без которых аппарат не может обойтись для выполнения своей миссии. Так что разнообразие в терминологии, мы надеемся, никого не введет в смущение. Все должно быть ясно из контекста.

В зарубежных источниках по данной теме также не наблюдается единообразия. Чаще других используется термин ROV (remotely operated vehicle) – дистанционно управляемый аппарат (двигающийся) или вместо vehicle – vessel, т.е. судно. Используются также такие аббревиатуры, как UUV (Unmanned Underwater Vehicle) – необитаемый подводный аппарат, USV (Unmanned Surface Vehicle) – необитаемый надводный аппарат, UXV (Unmanned Generic Vehicle) – необитаемый аппарат общего (любого) класса и пр. При этом авторами допускается весьма вольное толкование этих терминов, особенно ROV. Встречаются и другие, близкие по семантике, термины и аббревиатуры, на которых мы не будем сейчас заострять внимание. В любом случае вы всегда сможете воспользоваться разделом «Список сокращений» данного обзора.

Классификация.

Классификация в любом научном направлении является концептуальным вопросом как в части взаимодействия специалистов, так и в плане развития этого направления. Разнообразие созданных в мире НПА затрудняет их строгую классификацию. Тем не менее, предложены некоторые классификационные схемы, на которые можно опираться.

Во-первых, общеизвестно разделение подводных аппаратов на обитаемые и необитаемые – ОПА и НПА. Обитаемые аппараты могут быть гипербарическими и нормобарическими (прочный корпус защищает гидронавтов от давления воды). Далее эти две подгруппы делятся на автономные и привязные.

Необитаемые аппараты, в первую очередь разделяются на телеуправляемые и автономные.

Чаще всего в качестве классификационных признаков морских РТК (НПА) используют массу, габариты, автономность, способ передвижения, наличие плавучести, рабочую глубину, схему развертывания, назначение, функциональные и конструктивные особенности, стоимость и некоторые другие .

Классификация по массогабаритным характеристикам:

• - микроПА (ПМА), масса (сухая) - мини-ПА, масса 20–100 кг, дальность плавания от 0,5 до 4000 морских миль, оперативная глубина до 2000 м;
• - малые НПА, масса 100–500 кг. В настоящее время ПА этого класса составляют 15–20 % и находят широкое применение при решении различных задач на глубинах до 1500 м;
• - средние НПА, масса более 500 кг, но менее 2000 кг;
• - большие НПА, масса > 2000 кг.

Классификация по особенностям формы несущей конструкции:

• - классической формы (цилиндрической, конической и сферической);
• - бионические (плавающего и ползающего типов);
• - планерной (самолетной) формы;
• - с солнечной панелью на верхней части корпуса (плоские формы);
• - ползающие НПА на гусеничной базе;
• - змеевидной формы.

Классификация морских РТК (НПА) по степени автономности.

АНПА должен отвечать трем основным условиям автономности: механической, энергетической и информационной.

Механическая автономность предполагает отсутствие какой-либо механической связи в виде кабеля, троса или шланга, связывающих ПА с судном-носителем либо с донной станцией или береговой базой.

Энергетическая автономность предполагает наличие на борту ПА источника питания в виде, например, аккумуляторных батарей, топливных элементов, ядерного реактора, двигателя внутреннего сгорания с замкнутым рабочим циклом и т. п.

Информационная автономность НПА предполагает отсутствие информационного обмена между аппаратом и судном-носителем, либо донной станцией или береговой базой. При этом НПА должен иметь и автономную инерциальную навигационную систему.

Классификация морских РТК (НПА) по информационному принципу для соответствующего поколения НПА.

Морские автономные РТК ВН (АНПА) первого поколения функционируют по заранее заданной жесткой неизменяемой программе. Дистанционно управляемые (ДУ) НПА первого поколения управляются по разомкнутому контуру. В этих простейших устройствах команды управления подаются непосредственно в движительный комплекс без использования автоматических обратных связей.

АНПА второго поколения имеют разветвленную сенсорную систему. Второе поколение ДУНПА предполагает наличие автоматических обратных связей по координатам состояния объекта управления: высоте над дном, глубине погружения, скорости, угловым координатам и т. п. Эти очередные координаты сравниваются в автопилоте с заданными, определяемыми оператором.

АНПА третьего поколения будут обладать элементами искусственного интеллекта: возможностью самостоятельного принятия несложных решений в рамках общей поставленной перед ними задачи; элементами скусственного зрения с возможностью автоматического распознавания простых образов; возможностью к элементарному самообучению с пополнением собственной базы знаний. ДУНПА третьего поколения управляются оператором в интерактивном режиме. Система супервизорного управления предполагает уже некую иерархию, состоящую из верхнего уровня, реализуемого в ЭВМ судна-носителя, и нижнего уровня, реализуемого на борту подводного модуля.

В зависимости от глубины погружения обычно рассматривают: мелководные НПА с рабочей глубиной погружения до 100 м, НПА для работ на шельфе (300–600 м), аппараты средних глубин (до 2000 м) и НПА больших и предельных глубин (6000 м и более).

В зависимости от типа движительной установки можно различать НПА с традиционной винторулевой группой, НПА с движительной установкой на бионических принципах, с водометными движителями и АНПА – планеры с движительной системой, использующей изменение дифферента и плавучести . В свою очередь, винторулевые НПА разделяются на электрические и электрогидравлические. Особенности различных движителей рассмотрены в разделе 3.3.

Кроме того в ряде работ НПА разделяют на осмотровые и рабочие. В первую очередь это относится к ТНПА. Под осмотровыми ТНПА подразумевают легкие и средние аппараты, предназначенные для осмотра, подводной съемки, исследований с помощью различных датчиков, а под рабочими – тяжелые, весом до нескольких тонн, ТНПА, предназначенные для выполнения работ с помощью манипуляторов и различных инструментов, а также для подъема грузов. В работе приводится следующая классификационная таблица ТНПА.

В этой классификации никак не отражены новые веяния в части бесконтактных сенсорных сетей («умный планктон») и стайных роботов, но это, видимо, дело ближайшего будущего. Когда появятся примеры воплощения этих технологий в реальных морских проектах, тогда и классификация сумеет подстроиться.

В настоящем обзоре мы в равной степени уделяем внимание ТНПА и АНПА. У каждого из этих видов морской робототехники есть своя специфическая сфера применения, что напрямую связано с характерными для каждого вида достоинствами и недостатками. Главное достоинство ТНПА в том, что он связан кабелем с судном поддержки, т.е. энергетически и информационно полностью обеспечен. Он может работать под водой сколь угодно долго, оперативно управляться оператором с борта несущего судна, и нести на себе большой груз – инструменты, мощные манипуляторы, осветительную аппаратуру. По сути ТНПА можно отнести к робототехнике только с большой натяжкой, скорее, это дистанционно управляемый инструментальный комплекс. ТНПА выполняют наибольший объем осмотрово-поисковых, спасательных, ремонтных и строительных работ. Вместе с тем, жесткая привязка к судну-носителю является и главным недостатком ТНПА, не позволяющим им выполнять функции, связанные с автономной работой, например, скрытная разведка, диверсии, проникновение в пространства, где внешний кабель стал бы помехой. Да и сеть датчиков или подвижных аппаратов для работы на больших площадях из ТНПА не построишь. Поэтому и у АНПА есть своя довольно обширная сфера деятельности. К сожалению, у АНПА есть, как минимум два серьезных недостатка. Это подводная связь и ограниченный энергетический ресурс, да и подводная навигация оставляет желать лучшего. Научные работы по решению этих проблем ведутся достаточно активно, о чем будет рассказано в соответствующих разделах обзора, и если они принесут практические результаты, то это придаст мощный дополнительный стимул развитию морской робототехнике.

2. Исторический экскурс.

2.1. Развитие МРТ за рубежом.

Началом производства и использования необитаемых подводных аппаратов за рубежом можно считать конец 50-х, начало 60-х годов прошлого века, когда ВМС США всерьез взялись за развитие данного направления.

Так в начале 60-х годов была создана очень удачная модель ТНПА, которую можно считать прообразом всех современных привязных подводных аппаратов. Аппарат назывался Cable-Controlled Underwater Research Vehicle (CURV) и имел трубчатую раму с четырьмя торпедообразными плавучестями и общей длиной 3,3 м, шириной и высотой по 1,2 м. Движительный комплекс состоял из трех двигателей мощностью по 10 л.с. На борту находились: гидролокатор и гидрофон, ТВ-камера и светильники, а также фотокамера под пленку 35 мм. CURV был оборудован 7-функциональным манипулятором со схватом, позволяющим захватить крупные предметы цилиндрической формы. Все приводы, в том числе и двигателей, были гидравлическими . Глубина погружения CURV составляла 600 м. В последствии были созданы модификации CURV II и CURV III с глубиной погружения до 6000 м. CURV и его модификации подняли со дна сотни торпед, участвовали в поисково-спасательных операциях. Одна из таких операция состояла в поиске и подъеме водородной бомбы с глубины 869 м в районе Паломареса (Испания) в 1966г.

В 70-е годы к созданию необитаемых подводных аппаратов активно подключились Великобритания и Франция, а с конца 70-х и особенно в 80-е годы в гонку активно включились Германия, Норвегия, Канада, Япония, Голландия, Швеция. И если изначально производство НПА финансировалось государством, а использование ограничивалось, в основном, военной сферой, то уже в 80-е годы основной объем их производства стал приходиться на коммерческие компании, а сфера применения распространилась в область бизнеса и науки. Это было связано, в первую очередь, с интенсивным освоением шельфовых месторождений нефти и газа.

В 90-е годы НПА перешли барьер глубины в 6000 м. Японский ТНПА JAMSTEC Kaiko достиг в Марианской впадине глубины 10 909 м. В 2008г. военно-морской флот США начал замену спасательных систем, управляемых пилотом, на модульные системы, основанные на необитаемых дистанционно управляемых аппаратах.

Появление на рынке большого разнообразия моделей НПА привело к активному поиску новых сфер их применения, а это, в свою очередь, нашло отклик со стороны разработчиков и производителей НПА. Такой взаимообразный процесс, стимулирующий развитие данного направления, происходит и сейчас. В настоящее время на зарубежном рынке морской робототехники функционирует более 500 компаний-производителей НПА из самых разных стран, включая даже такие, как Исландия, Иран и Хорватия.

2.2. Развитие отечественной МРТ.

В нашей стране создание необитаемых подводных аппаратов началось примерно в те же годы, что и за рубежом. В Институте океанологии в 1963г. началась разработка, а в 1968г. появились ТНПА «КРАБ» и «Манта 0,2», оснащенные телекамерой и манипулятором.

Существенный вклад в развитие морской робототехники в разное время внесли такие организации, как:

• - Институт проблем морских технологий ДВО РАН (ИПМТ ДВО РАН);
• - Институт океанологии РАН им. Ширшова;
• - МВТУ им. Баумана;
• - Институт механики МГУ;
• - ЦНИИ «Гидроприбор»;
• - Ленинградский политехнический институт;
• - Инженерный центр «Глубина»;
• - ЗАО «Интершельф-СТМ»;
• - ГНЦ «Южморгеология»;
• - ООО «Индэл-Партнер»;
• - ФГУП «ОКБ Океанологической техники РАН».

В настоящее время активно работает на российском рынке ОАО «Тетис Про», предоставляющее российским потребителям продукцию ведущих зарубежных производителей, осуществляющее их локализацию и техническую поддержку.

Институт проблем морских технологий ДВО РАН был создан в 1988г. на базе отдела подводных технических средств ИАПУ ДВНЦ АН СССР.

В разное время в институте были созданы АНПА «Скат», «Скат-гео», «Л-1», «Л-2», «МТ-88», «Тифлонус», «ОКРО-6000», «CR-01А», «Клавесин», малогабаритный «Пилигрим», АНПА на солнечных батареях (САНПА); ТНПА серии «МАКС» (малогабаритный аппарат с кабельной связью). Всего за период 1974-2010гг. было создано более 20 необитаемых подводных аппаратов различного назначения.

Аппараты, созданные в институте, использовались в спасательных операциях, для поиска затонувших объектов, обследования подводных сооружений: трубопроводов, опор платформ и причальных сооружений. Уникальная операция в Саргасовом море по поиску и обследованию атомной ПЛ «К-219», затонувшей в 1987г. на глубине 5500 м, была первой в мире глубоководной операцией, осуществленной исключительно автономным необитаемым подводным аппаратом («Л-2»). Созданный робототехнический комплекс использовался для обследования района гибели АПЛ "К-8" в северной Атлантике и при поиске пассажирского южно-корейского самолета в районе о. Сахалин. В 1989 г. аппарат "Л-2" участвовал в проведении поисково-спасательных работ в Норвежском море в районе аварии АПЛ "К-287" ("Комсомолец").

В 1990г. АНПА «МТ-88» получил в Сан-Диего (США) международный диплом INTERVENTION/ROV"90 первой степени за лучшую работу года и вклад в прогресс мировой подводной робототехники.

В институте океанологии , как уже было сказано выше были созданы первые отечественные ТНПА серий «КРАБ» и «Манта».

В МВТУ им. Баумана исследования по созданию подводной техники начались еще в конце 60-х годов на кафедре СМ-7. И по сей день кафедры «Океанотехника» и «Подводные роботы и аппараты» готовят специалистов по разработке подводных аппаратов. В инженерном центре «Глубина» совместно с преподавателями и студентами кафедры «Подводные роботы и аппараты» был создан многофункциональный ТНПА «Калан». Кстати, Инженерный центр «Глубина» в начале 90-х разработал еще один малогабаритный осмотровый ТНПА «Белёк».

ЦНИИ «Гидроприбор» отметился разработкой ТНПА «ТПА-150», «ТПА-200» и «Рапан». Однако, в процессе эксплуатации в «Рапане» был выявлен ряд недостатков и его использование было прекращено.

В 1990г. на рынке появилась ленинградская фирма ЗАО «Интершельф-СТМ» со своими разработками ТНПА, которыми в последствии были оснащены суда «Экопатруль». В 1998г. эта организация по заказу компании Exxon выполнила работы по исследованию больших участков дна в рамках проекта разработки шельфовых нефтегазовых месторождений.

ГНЦ «Южморгеология» базируется на побережье Черного моря, в 40 км от Новороссийска. Эта организация является разработчиком и обладателем трех ТНПА «RT-1000 PLI», «PTM 500» и «PT 6000M».

С помощью этих аппаратов был выполнен целый ряд подводно-технических работ: поиск захоронений химического и бактериологического оружия в Балтийском море, осмотр нефтяных трубопроводов, осмотр выпускных коллекторов очистных сооружений и пирсовых сооружений порта в Черном море, работа на затонувших объектах - «Адмирал Нахимов» и АПРК «Курск», осмотр прибрежной части подводного трубопровода «Голубой поток», поиск и подъем черных ящиков аэробуса А-320, потерпевшего катастрофу под г.Сочи и ряд других работ.

ООО «Индэл-Партнер» , образованное в 2001г. хорошо известно, благодаря своим миниатюрным и недорогим (3-7 тыс. долл.) ТНПА осмотрового класса серий ГНОМ и «Обзор». Эти аппараты широко используются для подводных съемок, наблюдения за рыбами и обитателями дна, осмотра затонувших судов и поиска различных объектов. ГНОМы закуплены и успешно эксплуатируются службами МЧС РФ, Генпрокуратуры РФ, Росэнергоатома, крупными нефтяными и газовыми компаниями, водолазами и дайверами.

ФГУП «ОКБ Океанологической техники РАН» - еще один известный производитель разнообразной подводной техники, в 2006г. разработал и произвел многоцелевой ТНПА рабочего класса ROSUB 6000 с глубиной погружения до 6000 м. Вес аппарата -2500 кг, полезная нагрузка -150 кг.

ОАО «Тетис Про» . В 2010 году спасательные силы Черноморского флота России приняли на вооружение новый телеуправляемый автономный необитаемый подводный аппарат "Обзор-600", созданный российской компанией "Тетис-ПРО". Ранее российский флот использовал АНПА британского производства. Речь идет об аппаратах Tiger и Pantera+ производства компании Seaeye Marine. "Обзор-600" относится к классу малых АНПА и способен работать на глубине до 600 метров. Масса аппарата составляет 15 килограммов. "Обзор-600" оснащен манипуляторами, которые позволяют осуществлять захват груза массой до 20 килограммов. Благодаря небольшим размерам, АНПА может проникать в сложные или узкие конструкции под водой.

3. Особенности и перспективы применяемых технологий.

3.1. Связь и взаимодействие.

Очевидно, что в данном разделе речь пойдет исключительно о связи и взаимодействии автономных подводных аппаратов (АНПА), т.к. ТНПА связаны с судном поддержки по кабелю, а поверхностные аппараты - по радиоканалу. В связи с тем, что электромагнитные волны в воде быстро затухают, связь по радиоканалу в диапазоне КВ и УКВ возможна частично только на перископной глубине. Подводным роботам, призванным к работе на глубине это не интересно. Исследования, проводившиеся, в первую очередь, в интересах военного подводного флота, показали, что из известных в природе физических полей наибольший интерес для решения проблемы связи с подводными объектами представляют:

• - акустические волны;
• - электромагнитные поля в диапазоне сверхнизких (СНЧ) и крайне низких частот (КНЧ), иногда их именуют чрезвычайно низкими частотами (ЧНЧ);
• - сейсмические волны;
• - оптическое (лазерное) излучение (в сине-зеленом диапазоне);
• - нейтринные пучки и гравитационные поля.

Было решено, что резервная связь с ПЛ, находящимися под водой в любой точке мирового океана наиболее реальна с помощью антенн, излучающих сверхдлинные волны . Были построены многокилометровые антенны в США, в районе Великих озер и у нас на Кольском полуострове.

В диапазоне КНЧ возможна односторонняя посылка сообщения и его прием в любой точке океана, но … одного короткого слова в течение … 5-20 минут. Понятно, что такая односторонняя связь может использоваться только как резервная, для передачи, например, экстренной команды «всплыть и связаться с центром любым доступным образом».

Поэтому на сегодняшний день единственным способом связи НПА с поверхностью или с другими подводными аппаратами является акустическая связь в низкочастотном диапазоне. В качестве примера можно привести акустический приёмо/передающий модем LinkQuest UWM 4000 для подводной связи фирмы LinkQuest.

На сегодняшний день это одно из наиболее совершенных и востребованных изделий, благодаря: усовершенствованной схеме модуляции для улучшения отношения сигнал-шум; стабилизации канала связи для борьбы с множественным переотражением сигнала; кодированию с коррекцией ошибок; автоматической адаптации скорости передачи для борьбы с изменяющейся шумовой обстановкой в окружающей среде.

Однако, и на такой скорости невозможно передавать значительные объемы информации. Можно только передавать команды или обмениваться небольшими файлами. Чтобы передать фото- или видеоизображение, или перекачать в центр обработки массив накопленных данных, АНПА необходимо всплыть и воспользоваться радио или спутниковой связью. Для этого на борту большинства современных аппаратов (кроме специализированных донных сетевых датчиков) имеются необходимые средства связи.

Так, например, в АНПА Gavia модуль связи и управления обладает следующими возможностями:

• - беспроводная локальная вычислительная сеть
• (Wi-Fi IEEE 802.11g) дальность действия - 300м (оптимальная дальность - 150 м);
• - спутниковая связь: Iridium;
• - гидроакустическая система связи для получения статусных сообщений системы, дальность действия - 1200 м;
• - извлечение данных: проводная локальная вычислительная сеть (Ethernet) или беспроводная локальная вычислительная Wi-Fi.

Подводная оптическая связь.

По сравнению с воздухом, вода непрозрачна для большей части спектра электромагнитных волн, за исключением видимого диапазона. Более того, в самых чистых водах свет проникает вглубь лишь на несколько сотен метров. Поэтому в настоящее время под водой используется акустическая связь. Акустические системы передают информацию на достаточно большие расстояния, но все же отстают по времени передачи из-за относительно малой скорости распространения звука в воде.

Ученые и инженеры из Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) разработали оптическую систему передачи информации, которая компонуется с уже существующей акустической системой. Такой способ позволит передавать данные со скоростью до 10-20 мегабит в секунду на расстояние 100 метров, используя маломощную батарею и недорогие приемник и передатчик. Изобретение позволит подводным аппаратам, оборудованным всеми необходимыми для этого устройствами, передавать на поверхность воды мгновенные сообщения и видео в режиме реального времени. Отчет компании был представлен 23 февраля 2010 года на собрании Ocean Sciences Meeting в Портленде (Portland Ore). Когда же судно уходит на такую глубину, когда оптическая система уже не работает, вступает акустика.

Материал о результатах испытаний этой технологии появился на сайте WHOI только в июле 2012 года. Видимо, создатели так долго решали какие-то коммерческие вопросы или вопросы авторских прав. Сообщалось, что в оптическом модеме использовался голубой свет, т.к. другие световые волны хуже распространяются в воде, и была осуществлена передача видео изображения со дна моря в режиме, «близком к реальному времени», на расстояние до 200 метров. Также сообщалось, что создатели технологии образовали альянс с компанией Sonardyne для коммерческого продвижения своего продукта, который назвали BlueComm .

Для справки приведем основные базовые сведения по беспроводной оптической связи в воздухе.

Технология беспроводной оптики (Free Space Optics-- FSO) известна достаточно давно: первые эксперименты по передаче данных с помощью беспроводных оптических устройств были проведены более 30 лет назад. Однако ее быстрое развитие началось с начала 1990-х гг. с появлением широкополосных сетей передачи данных. Первые системы производства компаний A.T.Schindler, Jolt и SilCom обеспечивали передачу данных на расстояния до 500 м и использовали инфракрасные полупроводниковые диоды. Прогресс подобных систем сдерживался в основном из-за отсутствия надежных, мощных и "скорострельных" источников излучения.

В настоящее время такие источники появились. Современная технология FSO поддерживает соединения до уровня ОС-48 (2,5 Гбит/c) с максимальной дальностью до 10 км, а некоторые производители заявляют о скорости передачи данных до 10 Гбит/с и расстояниях до 50 км. При этом на показатель реальной максимальной дальности оказывает влияние доступности канала, то есть процента времени, когда канал работает.

Скорости передачи данных, обеспечиваемые системами FSO, примерно такие же, как и у волоконно-оптических сетей, поэтому они наиболее востребованы в широкополосных приложениях на участке "последней мили". Беспроводные оптические системы используют диапазон инфракрасного излучения от 400 до 1400 нм.

Идеология построения систем беспроводной оптики основана на том, что оптический канал связи имитирует отрезок кабеля. Такой подход не требует дополнительных протоколов связи или их модификации

Оптическим системам присущи определенные характеристики, которые делают их довольно востребованными на рынке:

• хорошая защищенность канала от несанкционированного доступа. Несанкционированный съем передаваемой информации возможен только тогда, когда приемник сигнала размещается непосредственно перед передатчиком, что неизбежно приводит к перерывам связи в основном канале и регистрации такой попытки. Оптические системы можно использовать при организации канала для приложений, требующих высокого уровня безопасности (в военные целях, в банковской сфере и.т.д.);
• значительные информационные емкости каналов (до десятков Гбит/с) обеспечивают возможность устойчивого криптографирования с высоким уровнем избыточности;
• высокая помехозащищенность канала. В отличие от радиоустройств и модемов для выделенных линий оптические системы не восприимчивы к помехам и электромагнитному шуму; для организации канала не требуется получение разрешений на частоту, что существенно удешевляет и ускоряет создание сети. Для применения таких устройств достаточно гигиенического сертификата, а в случае их использования в сетях общего пользования -- еще и сертификата системы "Электросвязь".

Построение всех инфракрасных систем передачи практически одинаково: они состоят из интерфейсного модуля, модулятора излучателя, оптических систем передатчика и приемника, демодулятора приемника и интерфейсного блока приемника. В зависимости от типа используемых оптических излучателей различают лазерные и полупроводниковые инфракрасные диодные системы, имеющие разные скорости и дальность передачи. Первые обеспечивают дальность передачи до 15 км со скоростями до 155 Мбит/с (коммерческие системы) или до 10 Гбит/с (опытные системы). Следует отметить, что с ужесточением требований к качеству канала дальность связи снижается. Вторые обеспечивают существенно меньшую дальность передачи, хотя по мере развития технологии дальность и скорость связи возрастают. .

3.2. Средства навигации.

История морской навигации уходит в глубь веков. Еще древние мореплаватели ориентировались по береговым маркерам, а вдали от берега - по звездам. Да, так можно найти путь домой, но для поисковых работ, где требуется точное позиционирование как объекта поиска на дне моря, так и своих собственных координат под водой, нужны принципиально иные методы навигации. Несмотря на технический прогресс, еще совсем недавно, полвека назад, средства навигации не обеспечивали необходимой точности позиционирования под водой. Из воспоминаний американских специалистов - поисковиков известно о трудностях, с которыми они столкнулись в 1963 году, когда на глубине 2560 м. затонула американская подлодка «Трешер», а в 1966 году у берегов Испании была потеряна водородная бомба. Точность подводного позиционирования не могла обеспечить точного повторного выхода к затонувшему объекту. Именно эти и подобные им инциденты привели к активному исследованию и разработке методов гидроакустического позиционирования. В дальнейшем, появление спутниковых навигационных систем еще больше усилили возможности навигации на море.

В настоящее время навигационные комплексы НПА включают:

• - спутниковые системы;
• - гидроакустические;
• - бортовые автономные.

Спутниковые навигационные системы ГЛОНАСС и GPS (+ в перспективе Galileo) обеспечивают возможность быстрого и высокоточного определения координат морского объекта, синхронизации в пространстве взаимного положения различных объектов, определения скорости и направления движения объектов в реальном времени. С учетом широкозонных дополнений, таких как американская WAAS, европейская EGNOS, японская MSAS, точность позиционирования на поверхности моря может достигать 1-2 м. Однако, когда НПА погружается под воду, связь со спутником прекращается. Тогда положение НПА определяется методом «счисления пути» посредством бортовых навигационных средств (компаса, датчиков скорости, датчика глубины, гироскопов), либо с помощью гидроакустического позиционирования.

Гидроакустическая навигационная система позиционирования (ГАНС) представляет собой систему, состоящую из нескольких стационарных передающих гидроакустических маяков, установленных на морском дне и сопровождающем судне, маяка-ответчика на НПА и узла обработки информации. Впрочем, используются и другие способы размещения маяков. В зависимости от этого различают ГАНС с длинной базой (ГАНС ДБ), ГАНС с короткой базой (ГАНС КБ), ГАНС с ультракороткой базой (ГАНС УКБ), их комбинации и комбинации со спутниковой навигацией.

ГАНС ДБ используют несколько маяков (транспондеров) с установленными на них акустическими приемопередатчиками. Эти маяки, расположенные в местах с известными географическими координатами, излучают звуковые волны, позволяя НПА определять дистанцию до них. Для работы системы в заданном районе необходимо использовать как минимум три акустических маяка. НПА производит триангуляцию для вычисления собственного положения относительно них. Для построения ГАНС ДБ используются три или более маяков, стационарно устанавливаемых на морском дне, на расстоянии примерно 500 метров друг от друга. Достоинства таких систем - высокая точность определения координат (субметровая точность), отсутствие влияния на точность волнения моря, неограниченная глубина использования. Недостатки - необходимость точной выставки маяков на морском дне, необходимость подъема их по окончании работ. Основное применение ГАНС ДБ - длительные работы по обследованию каких-либо подводных объектов, строительство и эксплуатация нефтедобывающих платформ, прокладка трубопроводов.

ГАНС УКБ работает на принципе определения координат маяка - ответчика по дистанции и углу. Дальность действия таких систем доходит до 4000 м. Обычно при работах до 1000 м точность определения координат не хуже 10 м. Этого достаточно для определения местоположения НПА, однако недостаточно для выполнения сложных подводных работ по бурению или строительству.

К достоинствам таких систем относят их сравнительно небольшую стоимость и мобильность. Их можно использовать практически на любом судне, вплоть до резиновой лодки, крепя приемо-передающую антенну (ППА) на штанге. К недостаткам относится высокая степень влияния качки на точность и работоспособность системы.

Примером ГАНС УКБ может служить ГАНС TrackLink 1500 американской компании LinkQuest, которая представляет собой портативную переносную систему, способную работать с любых типов судов-носителей и небольших катеров. Несколько десятков приёмо-передающих элементов конструктивно объединены в едином корпусе, который может опускаться в воду непосредственно с борта судна-носителя. Такое построение, с одной стороны, позволяет достичь высокой точности позиционирования, а с другой стороны, снизить массогабаритные размеры системы и время подготовки её к работе, что является немаловажным при проведении поисково-спасательных операций. При выполнении подводных работ, требующих высокоточного позиционирования, например прокладке и обследовании трубопроводов, строительстве гидротехнических сооружений и нефтяных платформ и т.п., рекомендуется стационарно закреплять ППА на специальной штанге для спуска с борта или монтировать выдвижную штангу в корпусе судна. Такой способ крепления обеспечивает стабильное положение ППА относительно судна-носителя, особенно при работе на сильном волнении и течениях.

Для установки на подводные объекты в состав ГАНС входят различные типы маяков-ответчиков, унифицированные по массогабаритным размерам и времени непрерывной работы. Питание маяков осуществляется от встроенных аккумуляторов или от бортовой сети подводных объектов. Использование современных технологии в производстве аккумуляторов питания обеспечивает длительную работу маяков-ответчиков в активном режиме. При длительном отсутствии сигналов-запросов с ППА маяк-ответчик автоматически переходит в режим ожидания для экономии ресурса аккумуляторов. Такой алгоритм работы обеспечивает длительное (до нескольких месяцев) нахождение маяка-ответчика под водой.

Обработка всех сигналов с ППА производится в надводном блоке управления и отображения, который представляет собой стационарный компьютер или ноутбук. В отличие от большинства аналогичных систем, предлагаемых на рынке, кабель данных с ППА подсоединяется непосредственно к последовательному порту компьютера (ноутбука). Математическая и графическая обработка данных осуществляется с помощью специального программного обеспечения. На экране монитора в реальном масштабе времени выводятся текущие координаты подводных объектов, параметры и траектория их движения относительно судна-носителя. Программное обеспечение имеет возможность дополнительно обрабатывать и выводить на монитор данные с навигационной системы GPS и внешнего датчика качки. Данные приборы подключаются к ноутбуку через последовательный порт или блок сопряжения.

Компания-производитель LinkQuest предлагает специальную модификацию ГАНС TrackLink 1500LC для работы с миниатюрными телеуправляемыми подводными аппаратами типа «СиБотикс». Такая система имеет специальную гидроакустическую антенну с защитой от поверхностных шумов способную работать с малых катеров или лодок и небольшой маяк-ответчик (вес в воде менее 200 г). Технические возможности системы позволяют осуществлять позиционирование подводного аппарата во всём диапазоне рабочих глубин.

В состав комплекта ГАНС TrackLink 1500 входит:

• гидроакустическая антенна с кабелем 20 метров;
• маяк-ответчик (в зависимости от типа подводного объекта) с зарядным устройством;
• ноутбук с установленным программным обеспечением;
• транспортировочный кейс;
• комплект ЗИП.

Дополнительно могут поставляться:

• до 8-ми маяков-ответчиков;
• навигационная система GPS (DGPS);
• внешний датчик качки.

Системы с короткой базой (ГАНС КБ) имеют несколько разнесенных друг от друга гидрофонов, расположенных в нижней части судна-носителя. Блок обработки, используя гидроакустические сигналы дистанции маяка-ответчика, выдает координаты подводного объекта в реальном масштабе времени. Достоинства такой системы - мобильность и достаточно высокая точность (около метра). Рабочая глубина ограничена 1000 м. Недостатки - требования к минимальной длине судна-носителя. Необходимость точной калибровки системы, большая чувствительность к волнению моря. В последнее время эти системы вытесняются более простыми и совершенными УКБ системами.

В последние годы на рынке систем позиционирования появилась принципиально новая гибридная система, которая использует принципы построения ГАНС ДБ и КБ типа с одновременным сопоставлением координат по сигналам от DGPS (дифференциальной GPS). Рассмотрим такую систему на примере.

Система гидроакустического позиционирования «GIB» (от английского GPS Intelligent Buoys) французской компании «ACSA» предназначена для определения текущих координат подводных объектов с большой точностью. В основе работы системы используется принцип определения координат подводного объекта относительно нескольких надводных плавающих буёв, местоположение которых в свою очередь определяется с помощью системы глобального позиционирования GPS или ГЛОНАСС. Плавающий буй состоит из гидроакустического приёмника (гидрофона) и приёмника GPS. На подводном аппарате устанавливается гидроакустический маяк с определённой частотой сигнала. Каждый буй определяет с помощью гидрофона пеленг и дистанцию до гидроакустического маяка. Одновременно, в строгой синхронизации по времени, полученным значениям приписываются текущие географические координаты буя. Все полученные данные в реальном масштабе времени пересылаются по радиомодему на пост слежения, расположенный на борту судна или на берегу. Специальное программное обеспечение с помощью математической обработки вычисляет реальные географические координаты подводного объекта, скорость и направление его движения. Все исходные и рассчитанные параметры сохраняются для последующей обработки, одновременно на экране монитора поста слежения выводится местоположение и траектория движения подводного объекта или объектов, судна-носителя и плавающих буев. Параметры и траектории движения могут отображаться либо в относительных координатах, например, относительно судна-носителя, либо в абсолютных географических координатах с нанесением непосредственно на электронную карту района проведения подводных работ. При выполнении работ по обнаружению и подъёму фрагментов затонувших объектов гидрофоны, установленные на буях определяют также пеленг и дистанцию до гидроакустического маяка, затонувшего объекта. Координаты и глубина маяка отображаются на электронной карте поста слежения, и оператор может направлять подводные аппараты или водолазов к объекту, ориентируясь по данным, выводимым на мониторе. - http://www.bnti.ru/des.asp?itm=3469HYPERLINK "http://www.bnti.ru/des.asp?itm=3469&tbl=02.04"&HYPERLINK "http://www.bnti.ru/des.asp?itm=3469&tbl=02.04"tbl=02.04

Благодаря своей мобильности, высокой скорости развертывания и нетребовательности к типу судна обеспечения, такая система идеальна для выполнения спасательных и поисковых работ. Специальный модуль, прилагаемый к данной системе, позволяет пеленговать акустические сигналы с черных ящиков потерпевших аварию самолетов или вертолетов и осуществлять вывод на них водолазов или подводных аппаратов.

Бортовые автономные средства навигации включают в себя: навигационно-пилотажные датчики (глубиномер, магнитный и гироскопический компасы, датчики крена и дифферента, измерители относительной и абсолютной скорости - индукционный и доплеровский лаги, датчики угловых скоростей) и инерциальную навигационную систему (ИНС), построенную на основе акселерометров и лазерных или оптоволоконных гироскопов. ИНС измеряет перемещения и ускорения НПА по трем осям и формирует данные для определения его географических координат, угловой ориентации, линейных и угловых скоростей.

В заключение приведем пример навигационной системы автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) GAVIA . Навигационный комплекс состоит из бортовой, гидроакустической, спутниковой навигационных систем:

- DGPS приемник с приемом поправок WAAS / EGNOS

- 3-осевой индукционный компас, датчик ориентации с углом охвата 360°, датчики ускорений

- ИНС с доплеровским лагом

- Гидроакустическая навигационная система с длинной и ультракороткой базой.

Бортовая система представляет собой комплексированную доплер-инерциальную систему, состоящую из высокоточной бесплатформенной инерциальной навигационной системы (ИНС) с лазерными гироскопами. ИНС корректируется данными доплеровского лага, который измеряет скорость аппарата над грунтом или относительно воды.

Использование данных о высоте над грунтом, предоставляемых доплеровским лагом, позволяет АНПА выдерживать глубины, необходимые для выполнения съемки ГБО или фотографической съемки. Для получения позиции в надводном положении используется приемник DGPS. Гидроакустическая навигационная система обеспечивает определение АНПА с установленным маяком-ответчиком относительно приемо-передающей антенны, либо относительно установленных на дне маяков, излучающих сигналы в окружающую среду.

В ближайшие годы, по нашему мнению, вполне вероятно появление нового метода навигации, основанного на применении технологии «дополненной реальности». Средства, реализующие данный метод, могут быть очень эффективными при позиционировании АНПА в условиях закрытых пространств, таких как интерьер затонувших судов, трубопроводов, бассейнов, а также в условиях сложных рельефов дна, расщелин, фьордов, гавань. Об этом методе вы можете прочитать в разделе 8. «Морская робототехника + доп. реальность».

Статью "20.07.2013. Развитие морской робототехники в России и за рубежом" Вы можете обсудить на

Актуальность создания роботизироанных морских подвижных объектов (МПО) обусловлена необходимостью

1. экологического мониторинга водных ресурсов;
2. картографии морских и речных судоходных каналов, портов, бухт, заводей;
3. повышения уровня контроля морских акваторий;
4. повышения эффективности освоения ресурсов в труднодоступных районах (Арктика и Дальний Восток);
5. повышения интеллектуализации морского транспорта;
6. повышения конкурентоспособности отечественного судостроения и снижения зависимости от зарубежных технологий.

Основные направления исследования и продукты

• Разработка систем интеллектуального планирования движений и адаптивного управления автономных необитаемых подводных аппаратов
• Разработка систем интеллектуального планирования движений и адаптивного управления автономных безэкипажных судов
• Разработка систем математического и полунатурного моделирования морских подвижных объектов(МПО)
• Разработка тренажёрных комплексов для операторов автономных морских подвижных объектов

Предлагаемые методы и подходы к решению поставленных задач

• Метод построения нелинейных многосвязных математических моделей с определением гидродинамических характеристик
• Метод позиционно-траекторного управления для построения автопилотов
• Методы комплексирования навигационных данных для повышения точности определения координат
• Теория синтеза нелинейных наблюдателей для оценки неопределенных внешних сил и неизвестных параметров МПО
• Метод конструирования интеллектуальных планировщиков перемещений для обхода стационарных и подвижных препятствий
• Метод использования неустойчивых режимов работы системы управления для обхода препятствий при минимизации требований к сенсорной подсистеме МПО и вычислительным затратам

Предлагаемые систем автоматического управления морскими подвижными объектами

Как показывает обзор существующих систем управления МПО, современные подходы к конструированию систем обеспечивают заданное качество управления в узком диапазоне от заданного режима движения. В ситуации, когда скорость течения внешней среды превышает или сравнима со скорость МПО, условия разделения взаимосвязанного движения на отдельные каналы не выполняются, а углы дрейфа нельзя считать малыми. В этих случаях требуется планировать и реализовывать траекторию движения МПО с учетом многосвязности движения, используя внешние неуправляемые течения. Если, какое-либо возмущение (например, сильное течение, которое нельзя компенсировать полностью из-за энергетических ограничений) выведет МПО в область «больших» отклонений, то это может привести к нарушению устойчивости и, как следствие, аварийной или критической ситуации.В этой связи актуальной является проблема разработки методов позиционно-траекторного управления морскими роботизированными системами в экстремальных режимах и условиях априорной неопределенности среды.

При разработке систем управления МПО необходимо выполнить следующие этапы проектирования:

1. Построение математической модели

2. Синтез автопилота

3. Программно-аппаратная реализация

Этапы проектирования систем управления морскими подвижными объектами

Построение математической модели

Система координат подводного аппарата

Система координат надводного аппарата катамаранного типа

Адекватная математическая модель движения МПО необходима для разработки эффективной системы управления его движением в подводном режиме. Особое значение имеет адекватность математической модели при осуществлении указанных движений МПО, как необитаемого аппарата. Корректное построение математической моделиМПо в значительной степени определяет качество проектирования системы управления движением МПО и, в первую очередь, адекватность результатов проектирования реальным свойствам разрабатываемой системы управления.

Синтез автопилота и алгоритмов функционирования

Оригинальный запатентованный алгоритм управления обеспечивает формирование управляющих воздействий на исполнительные механизмы МПО для выполнения следующих задач:

• стабилизация в заданной точке пространства базовых координат и, в случае необходимости, с желаемыми значениями углов ориентации;
• движение вдоль заданных траекторий с постоянной скоростью V и заданной ориентацией;
• перемещение в заданную точку вдоль заданной траектории, с заданной ориентацией и без предъявления дополнительных требований к скорости и др..

Упрощенная структура автопилота

Программно-аппаратная реализация

Мы предлагаем программно-аппаратный комплекс, который реализует алгоритмы упрвления, планирования, навигации,взаимодействия оборудования, и включает в себя:

бортовой вычислитель

наземный или мобильный пункт управления

навигационную систему

сенсорную подсистему, в том числе систему технического зрения

Для отработки программно-алгоритмической части системы управления МПО разрабатывается программно-моделирующий комплекс. Функциональность предлагаемого комплекса позволяет симулировать внешнюю среду, датчики, навигационную систему и систему технического зрения, так же задавать из погрешности.

После отработки алгоритмы управления и реализации их на бортовом вычилслителе проводим верификацию программного обеспечения путем полунатурного моделирования

Выполненные проекты

• ОКР «Разработка интегрированного комплекса навигации и управления движением для автономных необитаемых подводных аппаратов», 2010 г., ОКБ ОТ РАН
• НИР«Разработка интегрированной системы управления и навигации автономных необитаемых подводных аппаратов для решения задач разведки, патрулирования и поисково-спасательных мероприятий», 2012 г. ЮФУ
• НИР «Разработка интеллектуальной системы управления движением автономных необитаемых подводных аппаратов»,2012-2013 г, ИПМТ ДВО РАН
• ОКР «Разработка системы управления типовых платформ АНПА» 2012 — 2014 г, «ЦНИИ «Курс»
• ОКР «Разработка технического проекта ряда перспективных типовых платформ АНПА», 2012 — 2014 г, «ЦНИИ «Курс»
• НИР «Разработка автономной робототехнической системы на базе надводного мини-корабля «, 2013, ЮФУ
• НИР «Разработка метода аналитического синтеза оптимальных многосвязных нелинейных систем управления», 2010 – 2012 г., грант РФФИ.
• НИР «Разработка теоретических основ построения и исследование систем управления подвижными объектами, функционирующими в априори неформализованных средах, с использованием неустойчивых режимов», 2010 – 2012 г., грант РФФИ.
• НИР «Теория и методы позиционно-траекторного управления морскими роботизированными системами в экстремальных режимах и условиях неопределенности среды» (№114041540005). 2014-2016
• РФФИ 16-08-00013 Разработка метода двухконтурной адаптации систем позиционно-траекторного управления с использованием робастных наблюдателей возмущений и эталонных моделей. 2016-2018
• ОКР «Разработка бэзэкипажного катера для экологического мониторинга азвского моря»

Проект по разработке автономного мини-катера

Проект по разработке системы автоматического управления типовыми платформами АНПА

Инициативный проект по разработке интеллектуальной системы управления надводным катером

Патенты

Дополнительные материалы

Публикации

• Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю. Управление подвижными объектами. – М.: НАУКА, 2011 г. – 350 с.
• Пшихопов В.Х. и др. Структурная организация систем автоматического управления подводными аппаратами для априори неформализованных сред // Информационно-измерительные и управляющие системы. М.:Радиотехника. 2006.- №1-3- Т4 — С. 73-78.
• Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю Адаптивное управление нелинейными объектами одного класса с обеспечением максимальной степени устойчивости Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Перспективные системы и задачи управления». – Таганрог: ТТИ ЮФУ.- 2012.-№3(116) – С.180-186
• Гуренко Б.В. Построение и исследование математической модели подводного аппарата // Специальный выпуск журнала «Вопросы оборонной техники. Серия 9», 2010 г. — С. 35-38.
• Пшихопов В.Х., Суконки С.Я., Нагучев Д.Ш., Стракович В.В., Медведев М.Ю., Гуренко Б.В. , Костюков В.А. Автономный подводный аппарат «СКАТ» для решения задач поиска и обнаружения заиленных объектов // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Перспективные системы и задачи управления». – Таганрог: ТТИ ЮФУ.-2010.-№3(116) – С.153-163.*
• Гуренко Б.В. Структурный синтез автопилотов для необитаемых подводных аппаратов // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН, номер 1–2011 г.
• Гуренко Б.В., Федоренко Р.В. Комплекс моделирования движений подвижных объектов на базе воздухоплавательных и подводных аппаратов // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Перспективные системы и задачи управления». – Таганрог: ТТИ ЮФУ.- 2011.-№3(116) – С.180-186
• Гуренко Б.В. Структурная организация систем автоматического управления подводными глайдерами // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Перспективные системы и задачи управления». – Таганрог: ТТИ ЮФУ.- 2011. — №3(116) – С.199-205
• Пшихопов В.Х., М.Ю. Медведев, Б.В. Гуренко, А.А. Мазалов Адаптивное управление нелинейными объектами одного класса с обеспечением максимальной степени устойчивости // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Перспективные системы и задачи управления». – Таганрог: ТТИ ЮФУ.- 2012.-№3(116) – С.180-186
• Б.В. Гуренко, О.К. Ермаков Обзор и анализ состояния современной надводной робототехники XI Всероссийской научной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления»: Сборник материалов. – Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2012,–Т. 1, С. 211-212
• Pshikhopov, V.Kh., Medvedev, M.Yu., Gaiduk, A.R., Gurenko, B.V., Control system design for autonomous underwater vehicle, 2013, Proceedings — 2013 IEEE Latin American Robotics Symposium, LARS 2013, pp. 77-82, doi:10.1109/LARS.2013.61.
• Пшихопов В.Х., Гуренко Б.В. Разработка и исследование математической модели автономного надводного мини-корабля «Нептун» [Электронный ресурс] //»Инженерный вестник Дона», 2013, №4. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/ /ru/magazine/archive/n4y2013/1918 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. Рус
• Пшихопов В.Х., Б.В. Гуренко Синтез и исследование авторулевого надводного мини-корабля «Нептун» [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013, №4. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/ /n4y2013/1919 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
• Гуренко Б.В. Реализация и экспериментальное исследование авторулевого автономного надводного мини-корабля «Нептун» [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013, №4.Режим доступа: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1920(доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
• Программное обеспечение бортовой системы управления автономной робототехнической системы на базе надводного мини-корабля: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013660412 / Пшихопов В.Х, Гуренко Б.В., Назаркин А.С. – Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 5 ноября 2013 г.
• Программное обеспечение навигационной системы автономной робототехнической системы на базе надводного мини-корабля: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013660554 / Гуренко Б.В., Котков Н.Н. – Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 11 ноября 2013 г.
• Программно-моделирующий комплекс автономных морских подвижных объектов: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013660212 / Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю., Гуренко Б.В. – Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 28 октября 2013 г.
• Программное обеспечение наземного пункта управления автономной робототехнической системы на базе надводного мини-корабля: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013660554 / Гуренко Б.В., Назаркин А.С.– Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 28 октября 2013.
• Kh. Pshikhopov, M. Y. Medvedev, and B. V. Gurenko, “Homing and Docking Autopilot Design for Autonomous Underwater Vehicle”, Applied Mechanics and Materials. Vols. 490-491, pp. 700-707, 2014, doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.490-491.700.
• Pshikhopov, V.K., Fedotov, A.A., Medvedev, M.Y., Medvedeva, T.N. & Gurenko, B.V. 2014, «Position-trajectory system of direct adaptive control marine autonomous vehicles», 2014 the 4th International Workshop on Computer Science and Engineering — Summer, WCSE 2014.
• Pshikhopov, V., Chernukhin, Y., Fedotov, A., Guzik, V., Medvedev, M., Gurenko, B., Piavchenko, A., Saprikin, R., Pereversev, V. & Krukhmalev, V. 2014, «Development of intelligent control system for autonomous underwater vehicle», 2014 the 4th International Workshop on Computer Science and Engineering-Winter, WCSE 2014.
• Пшихопов В.Х, Медведев М.Ю., Федоренко Р.В., Гуренко Б.В., Чуфистов В.М., Шевченко В.А. Алгоритмы многосвязного позиционно-траекторного управления подвижными объектами // Инженерный вестник дона #4, 2014, url:ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2014/2579 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
• Пшихопов В.Х, Федотов А.А, Медведев М.Ю., Медведева Т.Н., Гуренко Б.В., Позиционно-траекторная система прямого адаптивного управления морскими подвижными объектами // Инженерный вестник дона #3, 2014, url:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2496 (доступ свободный) – Загл. с экра-на. – Яз. рус.
• Гуренко Б.В. Построение и исследование математической модели автономного необитаемого подводного аппарата // Инженерный вестник дона #4, 2014, url:ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2014/2626 (доступ свободный) – Загл. с экра-на. – Яз. рус.
• Гуренко Б.В., Федоренко Р.В., Назаркин А.С. Система управления автономного надводного мини-корабля // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5; url:www.science-education.ru/119-14511 (дата обращения: 10.09.2014).
• Пшихопов В.Х., Чернухин Ю.В., Федотов А.А., Гузик В.Ф., Медведев М.Ю., Гуренко Б.В., Пьявченко А.О., Сапрыкин Р.В., Переверзев В.А., Приемко А.А. Разработка интеллектуальной системы управления автономного подводного аппарата // Известия ЮФУ. Технические науки. Таганрог: ТТИ ЮФУ – 2014. – № 3(152). – С. 87 – 101.
• Пшихопов В.Х., Гуренко Б.В., Медведев М.Ю., Маевский А.М., Голосов С.П. Оценивание аддитивных возмущений АНПА робастным наблюдателем с нелинейными обратными связями // Известия ЮФУ. Технические науки. Таганрог: ТТИ ЮФУ – 2014. – № 3(152). – С. 128 – 137.
• Пшихопов В.Х., Федотов А.А., Медведев М.Ю., Медведева Т.Н., Гуренко Б.В., Задорожный В.А. Позиционно-траекторная система прямого адаптивного управления морскими подвижными объектами // Сборник материалов Девятой Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления». Таганрог. Изд-во ЮФУ, 2014. – С. 356 – 263.
• Гуренко Б.В., Федоренко Р.В., Береснев М.А., Сапрыкин Р.В., Переверзер В.А., Разработка симулятора автономного необитаемого подводного аппарата // Инженерный вестник дона #3, 2014, http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2504. (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
• Копылов С.А., Федоренко Р.В., Гуренко Б.В., Береснев М.А. Программный комплекс для обнаружения и диагностики аппаратных отказов в роботизированных морских подвижных объектах // Инженерный вестник дона #3, 2014, url:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2526. (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
• Gurenko, «Mathematical Model of Autonomous Underwater Vehicle,» Proc. of the Second Intl. Conf. on Advances In Mechanical and Robotics Engineering — AMRE 2014, pp. 84-87, 2014, doi:10.15224/ 978-1-63248-031-6-156
• Гайдук А.Р. Плаксиенко Е.А. Гуренко Б.В. К синтезу систем управления с частично заданной структурой // Научный вестник НГУ. Новосибирск, №2(55) 2014, С. 19-29.
• Гайдук А.Р., Пшихопов В.Х., Плаксиенко Е.А., Гуренко Б.В. Оптимальное управление нелинейными объектами с применением квазилинейной формы // Наука и образование на рубеже тысячелетий. Сб. научн.-исслед. работ КГТИ. Вып.1, Кисловодск. 2014 с 35-41
• Гуренко Б.В., Копылов С.А., Береснев М.А. Разработка схемы диагностики отказов подвижных объектов // Международный научный институт Educatio. — 2014. — №6. — с.49-50.
• Устройство управления подводным аппаратом: Патент на полезную модель №137258 / Пшихопов В.Х., Дорух И.Г., Гуренко Б.В. – Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 10 февраля 2014 г.
• Система управления подводным аппаратом (Патент на изобретение №2538316) Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 19 ноября 2014 г. 1 стр. Пшихопов В.Х., Дорух И.Г.
• Pshikhopov, Y. Chernukhin, V. Guzik, M. Medvedev, B. Gurenko, A. Piavchenko, R. Saprikin, V. Pereversev, V. Krukhmalev, «Implementation of Intelligent Control System for Autonomous Underwater Vehicle,» Applied Mechanics and Materials, Vols 701 — 702, pp. 704-710, 2015, doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.701-702.704
• Gurenko, R. Fedorenko, A. Nazarkin, «Autonomous Surface Vehicle Control System,» Applied Mechanics and Materials, Vols 704, pp. 277-282, 2015, doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.704.277
• А.Р. Гайдук, Б.В. Гуренко, Е.А. Плаксиенко, И.О. Шаповалов Разработка алгоритмов управления безэкипажным катером, как многомерным нелинейным объектом // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2015. – № 1. – С. 250 – 261.
• Б.В. Гуренко Разработка алгоритмов сближения и стыковки автономного необитаемого подводного аппарата с подводной станцией базирования // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2015. – № 2. – С. 162 – 175.
• Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю., Гуренко Б.В. Алгоритмы адаптивных позиционно-траекторных систем управления подвижными объектами Проблемы управления, М.: – 2015 г., вып. 4, С. 66 –76 .
• http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.799-800.1001
• Р.В. Федоренко, Б.В. Гуренко Планирование траектории автономного мини-корабля // Инженерный вестник Дона. – 2015. – №4. – url: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2015/3280
• Б.В. Гуренко, А.С. Назаркин Реализация и идентификация параметров автономного необитаемого подводного аппарата типа глайдер // инженерный вестник Дона. – 2015. – №4. – url: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2015/3288
• Гуренко Б.В., Назаркин А.С. Дистанционное управление надводным роботизированным катером // н.т.к., посв. Дню Российской науки и 100-летию ЮФУ. Сборник материалов конференции. — Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2015. — с. 158-159
• Костюков В.А., Маевский А.М., Гуренко Б.В. Математическая модель надводного мини-корабля // Инженерный вестник Дона. – 2015. – №4. – url: http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3297
• Костюков В.А., Кульченко А.Е., Гуренко Б.В. Методика расчета гидродинамических коэффициентов АНПА // Инженерный вестник Дона. – 2015. – №3. – url: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3226
• Pshikhopov, M. Medvedev, B. Gurenko, «Development of Indirect Adaptive Control for Underwater Vehicles Using Nonlinear Estimator of Disturbances», Applied Mechanics and Materials, Vols. 799-800, pp. 1028-1034, 2015, doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.799-800.1028
• Gurenko, A. Beresnev, «Development of Algorithms for Approaching and Docking Underwater Vehicle with Underwater Station «, MATEC Web of Conferences, Vol. 26, 2015, doi: dx.doi.org/10.1051/matecconf/2015260400
• Gurenko, R.Fedorenko, M.Beresnev, R. Saprykin, «Development of Simulator for Intelligent Autonomous Underwater Vehicle», Applied Mechanics and Materials, Vols. 799-800, pp. 1001-1005, 2015, doi: http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.799-800.1001
• Гуренко Б.В., Федоренко Р.В. Программный комплекс виртуального моделирования применения автономного необитаемого подводного аппарата (заявка на регистрацию программы для ЭВМ) (рег. № ФИПС №2015660714 от 10.11.2015.)
• Пшихопов В.Х., Гуренко Б.В. Разработка математических моделей подводных аппаратов: учебное пособие. – Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2015. – 46 с
• Костюков В.А., Кульченко А.Е., Гуренко Б.В. Процедура исследования параметров модели подвижного подводного объекта // Сб. ст. по материалам XXXVI-XXXVII междунар. науч.-практ. конф. № 11-12 (35). — Новосибирск: Изд. АНС «СибАК», 2015. — с.75-59
• Kostukov, A. Kulchenko, B. Gurenko, «A hydrodynamic calculation procedure for UV using CFD», in proceedings of International Conference on Structural, Mechanical and Materials Engineering (ICSMME 2015), 2015, doi:10.2991/icsmme-15.2015.40
• Gaiduk, B. Gurenko, E. Plaksienko, I. Shapovalov, M. Beresnev, «Development of Algorithms for Control of Motor Boat as Multidimensional Nonlinear Object», MATEC Web of Conferences, Vol. 34, 2015, http://dx.doi.org/10.1051/matecconf/20153404005
• Б.В. Гуренко, И.О. Шаповалов, В.В. Соловьев, М.А. Береснев Построение и исследование подсистемы планирования траектории перемещения для системы управления автономным подводным аппаратом // Инженерный вестник Дона. – 2015. – №4. – url: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2015/3383
• Pshikhopov, V.a , Medvedev, M.a , Gurenko, B.b , Beresnev, M.a Basic algorithms of adaptive position-path control systems for mobile units ICCAS 2015 — 2015 15th International Conference on Control, Automation and Systems, Proceedings23 December 2015, Article number 7364878, Pages 54-59 DOI: 10.1109/ICCAS.2015.7364878
• Pshikhopov, M. Medvedev, V. Krukhmalev,V. Shevchenko Base Algorithms of the Direct Adaptive Position-Path Control for Mobile Objects Positioning. Applied Mechanics and Materials Vol. 763 (2015) pp 110-119 © (2015) Trans Tech Publications, Switzerland. doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.763.110
• Пшихопов В.Х., Гуренко Б.В., Федоренко Р.В., Программное обеспечение бортовой адаптивной системы управления автономного необитаемого подводного аппарата (Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 11 января 2016 г) (рег. № 2016610059 от 11.01.2016)
• Vyacheslav Pshikhopov, Boris Gurenko, Maksim Beresnev, Anatoly Nazarkin IMPLEMENTATION OF UNDERWATER GLIDER AND IDENTIFICATION OF ITS PARAMETERS Jurnal Teknologi Vol 78, No 6-13 DOI: http://dx.doi.org/10.11113/jt.v78.9281
• Fedorenko, B. Gurenko, “Local and Global Motion Planning for Unmanned Surface Vehicle”, MATEC Web of Conferences, Vol. 45, 2016, doi:

В современной робототехники роботы определяются как класс технических систем, которые в своих действиях воспроизводят двигательные и интеллектуальные функции человека.

От обычной автоматической системы робот отличается многоцелевым назначением, большой универсальностью, возможностью перестройки на выполнение разнообразных функций.

Роботы классифицируются:

По областям применения – промышленные, военные, исследовательские;

По среде применения(эксплуатаций) – наземные, подземные, надводные, подводные, воздушные, космические;

По степени подвижности – стационарные, мобильные, смешанные; - по типу системы управления – программные, адаптивные, интеллектуальные.

Многообразие устройств, относящихся к классу промышленных роботов и предназначенных для автоматизации ручного, тяжелого, вредного, опасного или монотонного труда, можно классифицировать по:

назначению;

степени универсальности;

кинематическим, геометрическим, энергетическим параметрам;

методам управления (степени участия человека в программировании работы робота).

По назначению известные в настоящее время роботы могут быть укрупненно распределены на следующие три группы: для научных целей, для военных целей, для использования в производстве, в сфере обслуживания.

К человеку все чаще и чаще предъявляются требования, выполнение которых ограничено его биологическими возможностями (в условиях космоса, повышенной радиации, больших глубин, химически активных сред и т. п.).

При обследовании планет и других космических тел транспортные средства должны быть оснащены манипуляторами для связи экипажа с внешним миром. Если же аппарат не обитаем, то манипуляторы должны иметь телеуправление с Земли. В таких автоматических аппаратах «руки» телеоператора - важнейшее средство активного взаимодействия с окружающей средой.

Не менее обширное применение телеоператоры и роботы нашли при различных работах на больших глубинах морей и океанов. Раньше человек опускался на глубину в специальном аппарате и был несколько пассивным наблюдателем, теперь построенные в последнее время подводные аппараты оснащены «руками», которыми управляет человек, находящийся внутри глубоководного аппарата.

Телеоператоры и роботы применяются для прокладки кабеля на глубине, поиска и подъема затонувших кораблей и грузов, для различных исследований недоступных морских глубин.

Автономный необитаемый подводный аппарат - АНПА (англ. autonomous underwater vehicle - AUV) подводный робот чем-то напоминающий торпеду или подводную лодку, перемещающийся под водой с целью сбора информации о рельефе дна, о строении верхнего слоя осадков, о наличии на дне предметов и препятствий. Питание аппарата осуществляется от аккумуляторов или другого типа батарей. Некоторые разновидности АНПА способны погружаться до глубины 6000 м. АНПА используются для площадных съёмок, для мониторинга подводных объектов, например трубопроводов, поиска и обезвреживания подводных мин.

Телеуправляемый необитаемый подводный аппарат (ТНПА) (англ. Remotely operated underwater vehicle (ROV)) - это подводный аппарат, часто называемый роботом, который управляется оператором или группой операторов (пилот, навигатор и др.) с борта судна. Аппарат связан с судном сложным кабелем, через который на аппарат поступают сигналы управления и электропитание, а обратно передаются показания датчиков и видео сигналы. ТНПА используются для осмотровых работ, для спасательных операций, для остропки и извлечения крупных предметов со дна, для работ по обеспечиванию объектов нефтегазового комплекса (поддержка бурения, осмотр трасс газопроводов, осмотр структур на наличие поломок, выполнение операций с вентилями и задвижками), для операций по разминированию, для научных приложений, для поддержки водолазных работ, для работ по поддержанию рыбных ферм, для археологических изысканий, для осмотра городских коммуникаций, для осмотра судов на наличие контрабандных товаров, прикреплённых снаружи к борту и др. Круг решаемых задач постоянно расширяется и парк аппаратов стремительно растёт. Работа аппаратом намного дешевле дорогостоящих водолазных работ несмотря на то, что первоначальные вложения достаточно велики, хотя работа аппаратом не может заменить весь спектр водолазных работ.

Кроме перечисленных областей применения в опасных условиях телеоператоры и роботы используются при ремонте и замене ядерных двигателей, во время работ в зараженных зонах, в шахтах.

Ведутся работы по созданию специального робота для добычи угля. По задумке Korea Coal Corp, робот будет не только добывать уголь, но и собирать его, а затем помещать его на конвейерную ленту, которая и доставит породу наверх. Контролировать работу будут механики, находящиеся на поверхности.

Современные роботы-пожарники имею возможности:

Разведка и мониторинг местности в зоне возникновения ЧС;

Пожаротушение в условиях современных техногенных аварий, сопровождаемых повышенным уровнем радиации, наличием отравляющих и сильнодействующих веществ в зоне работ, осколочно-взрывным поражением; с использованием водопенных средств пожаротушения;

Проведение аварийно-спасательных работ на месте пожара и чрезвычайной ситуации;

Разборка завалов для доступа в зону горения и ликвидации чрезвычайных ситуаций;

При соответствующем переоснащении возможно проведение пожаротушения с использованием порошков и сжиженных газов.

Например роботы "Ель-4", "Ель-10" и "Луф-60", предназначенные для тушения техногенных пожаров без участия человека, приняли участие в тушение лесного пожара 2010г вокруг ядерного центра в Сарове.

Многие виды производства требуют применения роботов. Использование их освобождает рабочего от труда в изнурительных и тяжелых условиях. В кузнечном цехе для перемещения и установки на молот тяжелых раскаленных заготовок можно поставить робот. Роботы могут окрашивать изделия, освобождая человека от пребывания в помещении с распыленной краской. Наиболее опасными и вредными являются операции с радиоактивными веществами и атомным оборудованием. Такие работы давно выполняют «руками» телеоператоров.

Для работы с ядерными реакторами и радиоактивными установками разработаны подвижные телеоператоры, у которых герметичная кабина снабжена защитными стенками для работы в радиоактивной среде.

Примеров использования роботов и телеоператоров на вредных и тяжелых работах можно привести множество. Роботы рационально применять на однообразных повторяющихся операциях, например, установка заготовок и деталей на станок. Робот может брать и перемещать хрупкие стеклянные и мелкие детали.

Следует также отметить еще одно направление в технике - это создание специальных усилителей физических возможностей человека - так называемый экзоскелет (от греч. внешний скелет) - устройство, предназначенное для увеличения мускульной силы человека за счёт внешнего каркаса. Экзоскелет повторяет биомеханику человека для пропорционального увеличения усилий при движениях. По сообщениям открытой печати, реально действующие образцы в настоящее время созданы в Японии и США. Экзоскелет может быть интегрирован в скафандр.

Первый экзоскелет был совместно разработан General Electric и United States military в 60-х, и назывался Hardiman. Он мог поднимать 110кг при усилии, применяемом при подъеме 4,5кг. Однако он был непрактичным из-за его значительной массы в 680кг. Проект не был успешным. Любая попытка использования полного экзоскелета заканчивалась интенсивным неконтролируемым движением, в результате чего никогда не проверялся с человеком внутри. Дальнейшие исследования были сосредоточены на одной руке. Хотя она должна была поднимать 340кг, её вес составлял три четверти тонны, что в два раза превышало подъемную мощность. Без получения вместе всех компонентов для работы практическое применение проекта Hardiman было ограничено.

По степени универсальности все роботы можно разделить на три группы:

Специальные, например, манипулятор для переворачивания и установки в вакууме кинескопов или манипулятор для установки заготовок в специальный штамп. Как правило, эти устройства обладают одной-тремя степенями свободы и работают по строго зафиксированной программе, выполняя простую операцию;

Специализированные, область применения которых ограничена определенными условиями и пространством. Например, роботы, имеющие регулируемую длину рук и несколько степеней свободы в пространстве для выполнения только «горячих» работ - литья или термообработки;

Универсальные устройства, перемещающиеся в пространстве, например, роботы с большим количеством степеней свободы и регулируемой длиной функционирующих конечностей, способные выполнять самые разнообразные операции с широкой номенклатурой деталей. Универсальный промышленный робот общего назначения можно переключить на другую работу и быстро перепрограммировать для выполнения любого в пределах технических возможностей цикла.

По кинематическим, геометрическим и энергетическим параметрам устройства подразделяются следующим образом.

По кинематическим параметрам роботы можно классифицировать в зависимости от количества степеней свободы, возможных вариантов действия и перемещения функциональных органов, а также по скорости их движения.

По геометрическим параметрам как классификационному признаку роботы подразделяют в зависимости от размеров функционирующих органов и диапазонов их линейных и угловых перемещений.

По энергетическим параметрам роботы делят на группы по грузоподъемности и развиваемой мощности.

По методам управления промышленные роботы первых поколений можно разделить на роботы:

Управляемые от систем числового программного управления;

с цикловыми системами управления;

Автономные, управляемые от ЭВМ (управляющих машин, способных собирать и анализировать информацию в процессе действия, реагировать на эту информацию, соответственно изменяя программу).

Разработаны телевизионные системы дистанционного управления, обеспечивающую стереоскопическое изображение зоны действия. Применяются в медицине (робот da Vinci) и системах телеприсутствия.

В системах ЧПУ роботов записанная программа многократно повторяется.

Изменение характера движений робота может быть достигнуто только вследствие ввода новой программы. Программирование работы таких роботов несложно и является простейшим видом их «обучения». В этом случае человек осуществляет только периодический контроль за работой робота и смену программы.

Роботы, управляемые от ЭВМ, обладают системой управления, способной собирать необходимую информацию в процессе выполнения работы, перерабатывать ее с помощью электронного «мозга» и вносить необходимые изменения в заранее введенную программу.

Тенденции развития XXI века: от новых технологий – к инновационным вооруженным силам.

В Великобритании отдают предпочтение морским беспилотным системам. Фото из журнала Jane"s NAVY international

В 2005 году Министерство обороны США под давлением Конгресса в разы повысило компенсационные выплаты семьям погибших военнослужащих. И как раз в этом же году был отмечен первый пик расходов на разработку беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). В начале апреля 2009 года Барак Обама снял существовавший 18 лет запрет на участие представителей средств массовой информации в похоронах погибших в Ираке и Афганистане военнослужащих. А уже в начале 2010 года центр WinterGreen Research опубликовал научно-исследовательский отчет о состоянии и перспективах развития беспилотных и роботизированных средств военного назначения, содержащий прогноз существенного роста (до 9,8 млрд. долларов) рынка подобных вооружений.

В настоящее время разработкой беспилотных и роботизированных средств занимаются практически все развитые страны мира, но планы США поистине грандиозны. Пентагон рассчитывает сделать к 2010 году треть всех боевых авиационных средств, предназначенных в том числе и для нанесения ударов в глубине территории противника, беспилотными, а к 2015 году треть всех боевых наземных машин также сделать роботизированными. Голубая мечта американских военных – создать полностью автономные роботизированные формирования.

Военно-воздушные силы

Одно из первых упоминаний применения беспилотных аппаратов в военно-воздушных силах США относится к 40-м годам прошлого столетия. Тогда, в период с 1946 по 1948 год, ВВС и ВМС США применяли дистанционно управляемые самолеты B-17 и F-6F для выполнения так называемых "грязных" задач – полетов над местами взрывов ядерных боеприпасов для сбора данных о радиоактивной обстановке на местности. К концу XX века мотивация к увеличению применения беспилотных систем и комплексов, позволяющих снизить возможные потери и повысить конфиденциальность выполнения задач, существенно возросла.

Так, в период с 1990 по 1999 год Пентагон израсходовал на разработку и закупку беспилотных систем свыше 3 млрд. долл. А после террористического акта 11 сентября 2001 года расходы на беспилотные системы возросли в несколько раз. 2003 финансовый год стал первым в истории США годом с расходами на БПЛА, превысившими сумму в 1 млрд. долл., а в 2005 году расходы выросли еще на 1 млрд.

От США стараются не отставать и другие страны. В настоящее время уже более 80 типов БПЛА состоят на вооружении 41 страны, 32 государства сами производят и предлагают к продаже более 250 моделей БПЛА различных типов. По мнению американских специалистов, производство БПЛА на экспорт не только позволяет поддерживать собственный военно-промышленный комплекс, снижать стоимость БЛА, закупаемых для своих вооруженных сил, но и обеспечивать совместимость аппаратуры и оборудования в интересах проведения многонациональных операций.

Сухопутные войска

Что касается массированных авиационных и ракетных ударов для уничтожения инфраструктуры и сил противника, то в принципе они уже не один раз отработаны, а вот когда в дело вступают наземные формирования, потери среди личного состава уже могут достигать нескольких тысяч человек. В Первой мировой войне американцы потеряли 53 513 человек, во Второй мировой войне – 405 399 человек, в Корее – 36 916, во Вьетнаме – 58 184, в Ливане – 263, в Гренаде – 19, первая война в Персидском заливе унесла жизни 383 американских военнослужащих, в Сомали – 43 человек. Потери же среди личного состава ВС США в операциях, проводимых в Ираке, давно превысили 4000 человек, а в Афганистане – 1000 человек.

Надежда опять на роботов, количество которых в зонах конфликтов неуклонно растет: от 163 единиц в 2004 году до 4000 – в 2006 году. В настоящее время в Ираке и Афганистане задействовано уже более 5000 наземных роботизированных средств различного назначения. При этом если в самом начале операций "Свобода Ираку" и "Незыблемая свобода" в сухопутных войсках отмечался существенный рост количества беспилотных летательных аппаратов, то в настоящее время аналогичная тенденция в применении наземных робототехнических средств.

Несмотря на то что большинство наземных роботов, находящихся в настоящее время на вооружении, предназначены для поиска и обнаружения фугасов, мин, самодельных взрывных устройств, а также их разминирования, командование сухопутных войск рассчитывает в ближайшее время получить на вооружение и первых роботов, способных самостоятельно обходить стационарные и подвижные препятствия, а также обнаруживать нарушителей на удалении до 300 метров.

На вооружение 3-й пехотной дивизии уже поступают и первые боевые роботы – Special Weapons Observation Remote reconnaissance Direct action System (SWORDS). Также создан прототип робота, способного обнаружить снайпера. Система, получившая название REDOWL (Robotic Enhanced Detection Outpost With Lasers), состоит из лазерного дальномера, звукоулавливающего оборудования, тепловизоров, GPS-приемника и четырех автономных видеокамер. По звуку выстрела робот способен с вероятностью до 94% определить местоположение стрелка. Вся система весит всего лишь около 3 кг.

Вместе с тем до недавнего времени основные роботизированные средства разрабатывались в рамках программы "Боевые системы будущего" (Future Combat System – FCS), которая являлась составной частью полномасштабной программы модернизации техники и вооружения сухопутных войск США. В рамках программы осуществлялась разработка:

• разведывательных сигнализационных приборов;
• автономной ракетной и разведывательно-ударной систем;
• беспилотных летательных аппаратов;
• разведывательно-дозорных, ударно-штурмовых, портативных дистанционно управляемых, а также легких дистанционно управляемых машин инженерного и тылового обеспечения.

Несмотря на то что программа FCS была закрыта, разработка инновационных средств вооруженной борьбы, включая системы управления и связи, а также большую часть роботизированных и беспилотных средств, была сохранена в рамках новой программы модернизации боевых бригадных групп (Brigade Combat Team Modernization). В конце февраля с корпорацией "Боинг" был подписан контракт стоимостью 138 млрд. долл. на разработку партии экспериментальных образцов.

Полным ходом идет разработка наземных роботизированных систем и комплексов и в других странах. Для этого, например, в Канаде, Германии, Австралии основное внимание уделяется созданию сложных интегрированных систем разведки, систем управления и контроля, новых платформ, элементов искусственного интеллекта, повышению эргономичности человеко-машинных интерфейсов. Франция активизирует усилия в области разработки систем организации взаимодействия, средств поражения, повышению автономности, Великобритания разрабатывает специальные навигационные системы, повышает мобильность наземных комплексов и т.д.

Военно-морские силы

Не остались без внимания и военно-морские силы, применение необитаемых морских аппаратов в которых началось сразу после Второй мировой войны. В 1946 году, во время операции на атолле Бикини, дистанционно управляемые лодки осуществляли сбор проб воды сразу после проведения ядерных испытаний. В конце 1960-х годов на семиметровые лодки, оснащенные восьмицилиндровым двигателем, устанавливалась аппаратура дистанционного управления для траления мин. Часть таких лодок была приписана к 113-й дивизии минных тральщиков, базирующейся в порту Нха Бе Южного Сайгона.

Позднее, в январе и феврале 1997 года, дистанционно управляемый аппарат RMOP (Remote Minehunting Operational Prototype) участвовал в двенадцатидневных учениях по противоминной обороне в Персидском заливе. В 2003 году во время операции "Свобода Ираку" для решения различных задач применялись уже необитаемые подводные аппараты, а позднее в рамках программы МО США по демонстрации технических возможностей перспективных образцов вооружения и техники в том же Персидском заливе проводились эксперименты по совместному применению аппарата SPARTAN и крейсера УРО "Геттисберг" по ведению разведки.

В настоящее время к основным задачам необитаемых морских аппаратов относят:

• противоминную борьбу в районах действия авианосных ударных групп (АУГ), портов, военно-морских баз и др. Площадь такого района может варьироваться от 180 до 1800 кв. км;
• противолодочную оборону, включающую задачи по контролю за выходами из портов и баз, обеспечение защиты авианосных и ударных групп в районах развертывания, а также при переходах в другие районы.
  При решении задач противолодочной обороны шесть автономных морских аппаратов способны обеспечить безопасное развертывание АУГ, действующей в районе 36х54 км. При этом вооружением гидроакустических станций с дальностью действия 9 км обеспечивается 18-километровая буферная зона вокруг развернутой АУГ;
• обеспечение безопасности на море, предусматривающее защиту военно-морских баз и соответствующей инфраструктуры от всех возможных угроз, включая угрозу террористической атаки;
• участие в морских операциях;
• обеспечение действий сил специальных операций (ССО);
• радиоэлектронную войну и др.

Для решения всех задач могут применяться разнообразные типы дистанционно-управляемых, полуавтономных или автономных морских надводных аппаратов. Помимо степени автономности в ВМС США используется классификация по размерам и особенностям применения, позволяющая систематизировать все разрабатываемые средства по четырем классам:

X-Class представляет собой небольшой (до 3 метров) необитаемый морской аппарат для обеспечения действий ССО и изоляции района. Такой аппарат способен вести разведку для обеспечения действий корабельной группировки и запускаться даже с 11-метровых надувных лодок с жестким каркасом;

Harbor Class – аппараты такого класса разрабатываются на базе стандартной 7-метровой лодки с жестким каркасом и предназначены для выполнения задач обеспечения морской безопасности и ведения разведки, кроме того, аппарат может оснащаться различными средствами летального и нелетального воздействия. Скорость превышает 35 узлов, а автономность – 12 часов;

Snorkeler Class представляет собой 7-метровый полупогружной аппарат, предназначенный для противоминной борьбы, противолодочных операций, а также обеспечения действий сил специальных операций ВМС. Скорость аппарата достигает 15 узлов, автономность – 24 часа;

Fleet Class – это 11-метровый аппарат с жестким корпусом, разработанный для противоминной борьбы, противолодочной обороны, а также участия в морских операциях. Скорость аппарата варьируется от 32 до 35 узлов, автономность – 48 часов.

Также по четырем классам систематизированы и необитаемые подводные аппараты (см. таблицу).

Сама необходимость разработки и принятия на вооружение морских необитаемых аппаратов для Военно-морских сил США определена рядом официальных документов как собственно ВМС, так и вооруженных сил в целом. Это "Морская мощь 21" (Sea Power 21, 2002), "Всесторонний обзор состояния и перспектив развития ВС США" (Quadrennial Defense Review, 2006), "Национальная стратегия морской безопасности" (National Strategy for Maritime Security, 2005), "Национальная военная стратегия" (National Defense Strategy of the United States, 2005) и др.

Технологические решения

Беспилотная авиация как, собственно, и другая робототехника стала возможна благодаря ряду технических решений, связанных с появлением автопилота, инерциальной системы навигации и многого другого. В то же время ключевыми технологиями, позволяющими компенсировать отсутствие пилота в кабине и, по сути, дающими возможность БПЛА летать, являются технологии создания микропроцессорной техники и коммуникационные средства. Оба типа технологий пришли из гражданской сферы – компьютерной индустрии, позволившей использовать для БПЛА современные микропроцессоры, беспроводные системы связи и передачи данных, а также специальные способы сжатия и защиты информации. Обладание такими технологиями – залог успеха в обеспечении необходимой степени автономности не только БПЛА, но и наземных робототехнических средств и автономных морских аппаратов.

Используя предложенную сотрудниками Оксфордского университета довольно наглядную классификацию, можно систематизировать "способности" перспективных роботов по четырем классам (поколениям):

• быстродействие процессоров универсальных роботов первого поколения составляет три тысячи миллионов команд в секунду (MIPS) и соответствует уровню ящерицы. Главные особенности таких роботов – возможность получения и выполнения только одной задачи, которая программируется заранее;
• особенность роботов второго поколения (уровень мыши) – адаптивное поведение, то есть обучение непосредственно в процессе выполнения заданий;
• быстродействие процессоров роботов третьего поколения будет достигать уже 10 млн. MIPS, что соответствует уровню обезьяны. Особенность таких роботов в том, что для получения задания и обучения требуется только показ или объяснение;
• четвертое поколение роботов должно будет соответствовать уровню человека, то есть способно мыслить и принимать самостоятельные решения.

Существует и более сложный 10-уровневый подход классификации степени автономности БЛА. Несмотря на ряд различий, единым в представленных подходах остается критерий MIPS, по которому, собственно, и осуществляется классификация.

Нынешнее состояние микроэлектроники развитых стран уже позволяет применять БПЛА для выполнения полноценных задач с минимальным участием человека. Но конечная цель – полная замена пилота на его виртуальную копию с такими же возможностями по скорости принятия решения, объемом памяти и правильным алгоритмом действия.

Американские специалисты считают, что если попытаться сопоставить способности человека с возможностями компьютера, то такой компьютер должен производить 100 трлн. операций в секунду и обладать достаточной оперативной памятью. В настоящее время возможности микропроцессорной техники в 10 раз меньше. И только к 2015 году развитые страны смогут достичь необходимого уровня. При этом важное значение имеет миниатюризация разрабатываемых процессоров.

Сегодня минимальные размеры процессоров на основе кремниевых полупроводников ограничены технологиями их производства, базирующимися на ультрафиолетовой литографии. И, по данным доклада аппарата министра обороны США, эти предельные размеры в 0,1 микрона будут достигнуты уже к 2015–2020 годам.

Вместе с тем альтернативой ультрафиолетовой литографии может стать применение оптических, биохимических, квантовых технологий создания переключателей и молекулярных процессоров. По их мнению, процессоры, разрабатываемые с использованием методов квантовой интерференции, могут увеличить скорость вычислений в тысячи раз, а нанотехнологии – в миллионы раз.

Серьезное внимание уделяется и перспективным средствам связи и передачи данных, которые, по сути, являются критическими элементами успешного применения беспилотных и роботизированных средств. А это, в свою очередь, неотъемлемое условие эффективного реформирования ВС любой страны и осуществления технологической революции в военном деле.

Планы командования вооруженных сил США по развертыванию робототехнических средств грандиозны. Более того, самые смелые представители Пентагона спят и видят, как целые стада роботов будут вести войны, экспортируя американскую "демократию" в любую точку мира, в то время как сами американцы будут спокойно сидеть дома. Конечно, роботы уже решают наиболее опасные задачи, да и технический прогресс не стоит на месте. Но еще очень рано говорить о возможности создания полностью роботизированных боевых формирований, способных самостоятельно вести боевые действия.

Тем не менее для решения возникающих проблем задействуются самые современные технологии создания:

• трансгенных биополимеров, применяющихся при разработке ультралегких, сверхпрочных, эластичных материалов с повышенными характеристиками малозаметности для корпусов БПЛА и других робототехнических средств;
• углеродных нанотрубок, используемых в электронных системах БПЛА. Кроме того, покрытия из наночастиц электропроводных полимеров позволяют на их основе разрабатывать систему динамического камуфляжа для робототехнических и других средств вооруженной борьбы;
• микроэлектромеханических систем, объединяющих в себе микроэлектронные и микромеханические элементы;
• водородных двигателей, позволяющих снизить шумность роботехнических средств;
• "умных материалов", изменяющих свою форму (или выполняющих определенную функцию) под влиянием внешних воздействий. Например, для беспилотных летательных аппаратов Управление исследовательских и научных программ DARPA проводит эксперименты по разработке концепции изменяющегося в зависимости от режима полета крыла, что позволит существенно облегчить вес БПЛА за счет отказа от использования гидравлических домкратов и насосов, устанавливаемых в настоящее время на пилотируемых летательных аппаратах;
• магнитных наночастиц, способных обеспечить скачок в разработке устройств хранения информации, существенно расширив "мозги" роботизированных и беспилотных систем. Потенциал технологии, достигаемый за счет использования специальных наночастиц размером 10–20 нанометров, – 400 гигабит на квадратный сантиметр.

Несмотря на нынешнюю экономическую непривлекательность многих проектов и исследований, военное руководство ведущих зарубежных стран, проводит целенаправленную, долгосрочную политику в области разработки перспективных роботизированных и беспилотных средств вооруженной борьбы, рассчитывая не только сохранить личный состав, сделать проведение всех боевых и обеспечивающих задач более безопасным, но и в перспективе разработать инновационные и эффективные средства для обеспечения национальной безопасности, борьбы с терроризмом и иррегулярными угрозами, а также эффективного проведения современных и будущих операций.