МИНИАТЮРНЫЕ РОБОТЫ В ВОДНОЙ СРЕДЕ
Рассмотрим далее наиболее важные направления исследований в области создания подводных микроаппаратов. Надо отметить, что появление первых образцов подводных микроаппаратов относится к середине 1990-х годов.
В зарубежных публикациях такие аппараты получили название “microUUV”, дословно - необитаемый подводный микроаппарат. Позднее появились сообщения о создании microAUV (автономный подводный микроаппарат - автономный ПМА). Как показали результаты проведенного обзора патентов, к настоящему времени класс ПМА насчитывает около 30 моделей (проектов), как правило, не являющихся коммерчески доступными.
Среди коммерчески доступных ПМА можно выделить следующие.
Дистанционно-управляемый ПМА (microROV) разработки “Video Ray Inc.’’ (США). Масса аппарата 3,6 кг. Продажа этих ДНПА осуществляется в четырех различных комплектациях.
ПМА серии LB 150/300, разработанный компанией “Sea Botix” (США). Масса аппаратов -11-13 кг (в зависимости от комплектации и рабочей глубины).
ПМА Observer-02, разработанный компанией “ADHOC-VISION” (Франция). Масса аппарата 5 кг, рабочая глубина до 90 м.
ДНПА-ПМА “Гном” (масса 2 кг), разработанный Институтом океанологии им. П.П. Ширшова РАН совместно с ООО “ИНДЭЛ” (осмотровый подводный микроаппарат).
Из отечественных достижений в области создания ПМА следует также отметить создание ФГУП “ЦНИИ “Гидроприбор” образца миниатюрного подводного аппарата - уничтожителя мин (масса 10-12 кг). Приведение аппарата в движение осуществляется с помощью пусковой установки.
По заказу DARPA совместно с Duke University научное подразделение “Nekton Research LLC”, которое входит в состав компании “Nekton Technologies Inc.” (США), разработало серию конструктивно масштабируемых дистанционно управляемых подводных микроаппаратов под названием “MicroHunter”.
Внешний вид макетных образцов подводных микроаппаратов серии MicroHunter
Микроаппараты имеют длину 5-20 см и предназначены для отработки концепций применения группировок из миниатюрных подводных роботов для обнаружения целей, целеуказания и наведения торпедного оружия, а также мониторинга свойств водной среды, измерения температуры, солености и др.
Один из действующих макетов, предназначенных для обзорно-поисковых работ, имеет длину 20 см, диаметр корпуса ~5 см, глубину погружения до 100 м и развивает скорость до 2 узлов. В состав системы энергообеспечения входит аккумуляторная батарея типа АА, обеспечивающая автономность плавания в пределах 3 ч, что соответствует дальности действия до 10 км. Самый миниатюрный аппарат серии MicroHunter с дальностью действия ~30 км имеет длину всего 5 см и массу ~5 г.
В своих разработках “Nekton Research LLC” применила ряд оригинальных конструкторских решений, которые позволили обеспечить высокую маневренность MicroHunter, в качестве рулей используется только одна подвижная часть. Кроме того, встроенные в них системы управления обеспечивают эффективное применение достаточно большой группировки MicroHunter (более 50 микроаппаратов) для решения задач сбора трехмерной информации о подводных объектах.
Надо отметить, что большая часть перспективных ПМА разрабатывается на бионических принципах.
В зарубежных публикациях это направление получило название “биомимикрия” - подражательное сходство незащищенного организма с защищенным или несъедобным (один из типов покровительственной окраски и формы).
Данное комплексное направление работ сформировалось на базе результатов синергетических исследований (системного обобщения достижений биологии, математики, информатики, электроники, механики, материаловедения и технологий микроминиатюризации и робототизации). К числу основных задач этого направления относится разработка новых материалов и технических устройств на основе принципов биологической имитации.
Изучение биологических систем на различных уровнях (от организмов млекопитающих до насекомых) представляет особый интерес с точки зрения технической имитации их способностей видеть (в том числе и ночью), чутко слышать, различать запахи, ощущать вкус и ориентироваться в сложных условиях.
Надо отметить, что высокая практическая значимость ожидаемых результатов этих исследований позволили определить в 1995-1996 гг. это направление как приоритетное. В американских публикациях достаточно часто встречается еще понятие и “reverse engineering” - обратная инженерия.
Большой объем научных исследований по созданию миниатюрных подводных роботов проводится в рамках американской комплексной программы “Подводные роботы на биомимикрических принципах” (Biomimetic Underwater Robot). Руководство этой программой осуществляется Департаментом электроники и вычислительной техники США с привлечением Центра морских наук и Бостонского северо-восточного университета. Основной целью программы является создание полностью автономных подводных роботов, имитирующих принципы движения морских биологических объектов. Ожидается, что полученные результаты найдут широкое применение при решении различного рода задач, например:
обнаружение подводных мин в мелком море; мониторинг подводной обстановки;
решение задач по боевому охранению надводных кораблей и ПЛ; поддержка аварийно-спасательных и обзорно-поисковых работ; организация связи с подводными лодками и др..
В ходе реализации программы “Biomimetic Underwater Robot” были разработаны макетные образцы миниатюрных подводных роботов - “робот-лобстер” (Lobster Robot) и “робот-минога” (Undulatory Robot).
В другой научно-исследовательской организации США - Лаборатории Дрейпера интенсивно ведутся исследования по созданию необитаемых подводных аппаратов повышенной маневренности. Предполагается, что на основе технической имитации технологий движения рыб будут созданы подводные аппараты, обладающие малым радиусом разворота, существенно сокращенным временем разгона и торможения. Внешний вид одного из действующих макетных образцов такого подводного робота-рыбы показан на рисунке снизу. Робот-рыба имеет массу -135-140 кг, длину -2,4 м и может развивать скорость 4.5 км/ч. В ходе многочисленных испытаний в закрытом бассейне Нью-Гэмпширского университета и в открытых акваториях была отработана гибкая конструкция корпуса подводного робота, а также уточнены алгоритмы управления его движением.
В Массачусетском технологическом инстизуте создан подводный робот “Pike” (“Щука”) длиной -0,7-0,8 м, способный развивать скорость до 5-6 м/с. Этот робот является следующим этапом развития экспериментального подводного робота Tuna, разработанного в этом же институте еще в 1994 г.
Подводный робот-рыба (проект лаборатории Draper, США)
Скорость движения - 4.5 км/ч
Сухой вес - 135 - 140 кг
Длина - 2,4 м
Высота - 0.7 м
Ширина - 0.4 м
Автономные подводные микророботы Программа США "Биомимикрические подводные роботы -Biomimetic Underwater Robot Programm” при поддержке Робот-Лобстер ’’Lobster Robot”.
Испытания автономного подводного робота-рыбы в бассейне Нью-Гэмпширского университета.
Управления перспективных исследований и разработок МО США (DARPA) и Управления научных исследований ВМС США (ONR).
Подводный робот Щука - Pike t (проект MIT, при поддержке DARPA и ONR).
-------------------------------------------------------------------------------------------------------
Cистемы энергообеспечения - поиск путей создания емких и возобновляемых энергоисточников в миниатюрном исполнении, в том числе на основе топливных элементов;
движительно-рулевые комплексы - разработка нетрадиционных систем движения аппарата, как правило, на базе одного двигателя;
конструкции ПМА на бионических принципах (поиск бионических решений) - потенциально эффективных биологических аналогов (с точки зрения целевых задач и тактико-технических требований к подводному микроаппарату) и конструкторских решений для их технической имитации; в рамках этих исследований осуществляются попытки технической имитации органов перемещения и гидродинамических форм биологических объектов;
миниатюрные системы управления движением - создание эффективной реконфигурируемой распределенной архитектуры системы управления и интеллектуального программного планировщика, сочетающие в себе автономный и супервизорный режимы.
