PROBLEMS IN THE DESIGN OF MARINE ROBOTIC SYSTEMS

Review article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.137.21
Issue: № 11 (137), 2023
Suggested:
19.07.2023
Accepted:
19.10.2023
Published:
17.11.2023
522
22
XML
PDF

Abstract

The work is dedicated to the analysis and definition of problematic issues in the design of modern marine robotic complexes. To achieve this objective, some historical stages of development, features of design of modern marine robotic complexes are highlighted. As a result of the analysis, a table with the characteristics of some robotic complexes of different countries of manufacturers has been drawn up. The problems in the development of modern marine robotic complexes concerning the issues of reliability, safety, control, efficiency and performance are noted. As future prospects of development are given, factors on the use of new materials and production technologies, creation of autonomous navigation systems with hybrid power supply system. These marine complexes may find application in coastal water area research, environmental assessment and rescue operations.

1. Введение

В последнее время морские робототехнические комплексы (РТК) стали неотъемлемой частью морской инфраструктуры и широко применяются в различных отраслях: исследование морской среды, обеспечение безопасности на море, выполнение строительных и монтажных работ. Конструкция морских РТК играет важную роль в обеспечении функциональности, эффективности и безопасности при выполнении задач в морской среде.

Сегодняшние непростые социально-политические условия подчеркивают важность применения морских РТК, как показывает опыт проведения современных военных операций на море, эти комплексы являются достаточно экономичными и эффективными для достижения поставленной цели. Поэтому обзор современного состояния развития зарубежных и отечественных морских РТК может быть в полезной для анализа, оценки и будущих перспектив развития данных систем, в том числе для целей обороны.

Целю данной работы является обзор существующих проблем проектирования современных морских робототехнических комплексов для выполнения морских исследовательских и специальных задач. В качестве материалов были использованы современные публикации в научных журналах, также электронные ресурсы, посвященные разработке морских робототехнических систем. Обработка исходной информации была осуществлена методами сбора, анализа, сравнения и синтеза. В результате анализа была составлена структурированная графическая информация о характеристиках, производителях исследуемых морских систем, отмечены будущие перспективы их применения.

2. История развития морских робототехнических комплексов

История развития морских робототехнических комплексов насчитывает несколько десятилетий. Первые РТК были созданы в 1960-х годах для исследования морской среды и осуществления подводных работ

. Они представляли собой простые устройства, состоящие из плавучих корпусов с управляемыми двигателями, датчиками и камерами для сбора информации, позволяя произвести некоторые измерения расстояний и высот на море, и в воздухе (рис.1).

Первые морские РТК 60-х годов [1]

Рисунок 1 - Первые морские РТК 60-х годов [1]

В 1970-х годах появилась технология, позволяющая создавать более сложные и маневренные РТК, оборудованные сенсорами и системами управления. Они стали использоваться для различных задач, таких как обследование дна моря, поиск и спасение, а также мониторинг морской среды
,
.

Примером надводного РТК на этом этапе развития можно считать устройства, созданные в 1960-х годах, такие как устройства исследования морской среды Alvin и Jason (США)

,
. Они были оснащены датчиками и камерами, для сбора информации и управляемыми двигателями. В 1970-х годах появились устройства для обследования дна моря, такие как Deep Drone
. Они использовались для исследования морской среды, поиска и спасения, а также мониторинга морской среды (рис. 2).

Глубоководный беспилотный аппарат «Deep Drone» [1]

Рисунок 2 - Глубоководный беспилотный аппарат «Deep Drone» [1]

В 1990-х годах с развитием компьютерных технологий появились более сложные автономные комплексы
,
которые могли выполнять задачи без участия человека. Они были оснащены высокоточными датчиками и системами управления, позволяющими совершать различные маневры и выполнять сложные задачи (рис. 3).
Глубоководный автономный подводный аппарат (AUV) «Seaglider» (Морской планер), антенна связи и отсек с полезной нагрузкой располагается в кормовой части, защитный обтекатель ограничивает носовую часть [4]

Рисунок 3 - Глубоководный автономный подводный аппарат (AUV) «Seaglider» (Морской планер), антенна связи и отсек с полезной нагрузкой располагается в кормовой части, защитный обтекатель ограничивает носовую часть [4]

Примером надводных РТК в настоящее время могут служить такие устройства, как Bluefin-21 (Bluefin Robotics, США), которые используются для исследования морской среды, обеспечения безопасности на море и защиты окружающей среды
(рис. 4). Они оснащены самонаводящимися системами и высокоточными датчиками.
«Bluefin-21» на борту судна Ocean Shield во время операции по поиску обломков самолета [4]

Рисунок 4 - «Bluefin-21» на борту судна Ocean Shield во время операции по поиску обломков самолета [4]

3. Конструкция морских робототехнических комплексов

Конструкция морских робототехнических комплексов является одним из важных аспектов их разработки. Морские РТК используются для различных задач, включая исследование морской среды, обеспечение безопасности при морских операциях, а также для коммерческих целей, таких как добыча рыбы и других морских ресурсов.

Одним из основных элементов конструкции РТК является корпус. Он обеспечивает необходимую плавучесть, а также защиту от воздействия внешних факторов. Корпус может иметь различные формы и размеры в зависимости от конкретных требований. Другим важным элементом конструкции является система управления. Она обеспечивает управление движением РТК и выполнение необходимых задач. Система управления может включать в себя различные компоненты, такие как датчики, электронику, программное обеспечение и другие

,
.

Также важным аспектом конструкции является система энергопитания, она может использовать различные источники энергии, такие как батареи, солнечные панели или генераторы. Эффективность системы энергопитания напрямую влияет на время работы РТК и его производительность. Кроме того, конструкция РТК может включать в себя различные дополнительные элементы, такие как механизмы для выполнения специализированных задач, системы связи, оборудование для навигации и др.

Таким образом, конструкция морских РТК требует учета многих факторов, включая требования к производительности, защите от внешних факторов и управляемости. Каждый элемент конструкции РТК должен быть тщательно продуман и интегрирован в общую схему, чтобы обеспечить эффективную работу в различных условиях морской среды

. Конструкция надводных РТК также может включать в себя элементы, обеспечивающие стабильность и маневренность, эти элементы помогают управлять движением РТК в различных условиях морской среды и повышают его устойчивость.

Важным аспектом конструкции РТК является также учет особенностей задач, которые он должен выполнять. Например, для РТК, задачей которых является исследование морской среды, может потребоваться установка дополнительного оборудования, такого как датчики температуры и давления, системы сбора и анализа данных, а также оборудование для забора проб воды. Для РТК, которые должны выполнять задачи по обеспечению безопасности, могут потребоваться специализированные системы обнаружения и предотвращения столкновений

,
.

В конструкцию морских РТК также могут быть интегрированы системы автоматического управления, которые позволяют РТК выполнять задачи автономно без участия человека. Это позволяет увеличить эффективность работы РТК и уменьшить затраты на персонал.

Современные дизайн-концепты морских робототехнических комплексов стремятся к созданию более эффективных и гибких устройств, способных решать широкий круг задач. Одним из интересных концептов является разработка устройств с плавающими платформами, оснащенными дронами для выполнения задач в воздушном пространстве над водной поверхностью. Эти устройства могут использоваться для мониторинга морской среды, обеспечения безопасности на море и поддержки береговой охраны.

Представителем такого класса морских РТК является экспериментальный проект КБ «Талисман» и НПК «Сетецентрические Платформы» - «Глайдерон»

(рис.5).

Автономный надводно-подводный роботизированный комплекс «Глайдерон» [4]

Рисунок 5 - Автономный надводно-подводный роботизированный комплекс «Глайдерон» [4]

Аппарат может осуществлять оперативный мониторинг акваторий и прибрежной территории. Уникальность морского авиационного комплекса «Глайдерон» заключается в объединении беспилотников различной функциональности в единую конструкцию. Планируется использовать для решения вопросов гидрологии, гидрофизики. Оригинальная конструкция позволит получать качественный и всесторонний анализ данных. Робот будет полезен для оперативного мониторинга пространства, охраны мостов, гидроэлектростанций
,
.

Другой концепт – создание надводных РТК с возможностью выполнять автономные миссии, не требующие участия человека. Такие устройства могут быть использованы для разведки и инспекции подводных объектов, мониторинга и контроля за морской средой, поиска и спасения (рис.6)

,
.

Система поиска мин «Remote Mine-hunting System» (Lockheed Martin, США), автономное подводное средство «Aquanaut» (Houston Mechatronics, США) [11]

Рисунок 6 - Система поиска мин «Remote Mine-hunting System» (Lockheed Martin, США), автономное подводное средство «Aquanaut» (Houston Mechatronics, США) [11]

Еще один концепт – создание модульных надводных РТК, которые могут быть быстро модифицированы и настроены под конкретные задачи. Это позволяет операторам быстро реагировать на изменения ситуации и эффективно использовать устройства для различных миссий (рис.6, справа).

В целом современные дизайн-концепты надводных РТК стремятся к созданию устройств с более широкими возможностями и гибкостью в выполнении задач. Важно отметить, что реализация этих концептов требует не только технологических решений, но и разработки соответствующих методов управления и обработки данных

.

Далее в таблице представлены некоторые современные морские робототехнические комплексы, используемые в разных странах

,
,
.

Таблица 1 - Современные морские робототехнические комплексы, используемые в разных странах

4. Проблемы в разработке современных морских робототехнических комплексов

Современные морские робототехнические комплексы имеют ряд проблем, связанных с их конструкцией, дизайном и функциональностью:

1. Надежность и безопасность. Робототехнические комплексы, работающие на морской поверхности, подвержены воздействию различных факторов, таких как сильные ветры, высокие волны, морской прибой, соленая вода и другие агрессивные условия, надежность и безопасность таких устройств играют важную роль.

2. Система питания и зарядки. Робототехнические комплексы, работающие на морской поверхности, нуждаются в длительной работе и энергопотреблении. Это требует эффективной системы питания, которая может обеспечить надежную работу устройств и продолжительный период автономной работы. Зарядка также является одной из главных проблем, которые требуют постоянного контроля и обслуживания.

3. Управление и управляемость. Управление и управляемость морских РТК являются критически важными проблемами, которые нужно решить. Для того чтобы устройства могли выполнять задачи в условиях реальной среды, необходимо разработать эффективные методы управления и контроля, которые позволят управлять устройствами в различных ситуациях.

4. Сбор и обработка данных. Современные морские РТК собирают большое количество данных, которые необходимо обрабатывать для получения полезной информации. Для этого требуются эффективные алгоритмы и программное обеспечение, которые могут обрабатывать данные в режиме реального времени.

5. Эффективность и производительность. Одной из основных проблем в дизайн-концептах современных морских РТК является эффективность и производительность устройств. Для того чтобы устройства могли выполнять задачи более эффективно, требуются более совершенные технологии и инженерные решения, которые могут обеспечить более высокую скорость и точность работы.

Рассмотрим применение концепции подводных крыльев в морских робототехнических комплексах. Современные морские робототехнические комплексы на подводных крыльях представляют собой инновационный дизайн-концепт, который предполагает использование подводных крыльев для обеспечения устойчивости и маневренности устройства на морской поверхности.

Концепция подводных крыльев была разработана для улучшения гидродинамических свойств надводных РТК и обеспечения им большей устойчивости и маневренности во время работы на морской поверхности. Подводные крылья способны создавать подъемную силу и снижать гидродинамическое сопротивление, что позволяет устройствам быстрее и эффективнее передвигаться по воде (рис. 7)

,
.

Дизайн-концепты современных РТК на подводных крыльях [15]

Рисунок 7 - Дизайн-концепты современных РТК на подводных крыльях [15]

Конструкция надводных РТК на подводных крыльях предполагает использование более легких и прочных материалов для корпуса устройства, что уменьшает его вес и повышает его грузоподъемность. Это позволяет устройствам более эффективно выполнять задачи, такие как поиск и обнаружение объектов на морской поверхности, мониторинг состояния окружающей среды и другие.

Современные морские РТК на подводных крыльях также оснащены современными системами управления и контроля, которые позволяют операторам управлять устройствами с помощью дистанционных устройств, а также осуществлять мониторинг и анализировать данные в режиме реального времени.

Концепция морских РТК на подводных крыльях представляет собой перспективный направление развития робототехники в морских условиях. Она может быть использована в различных областях, таких как гидрография, геологическое исследование морского дна, исследование окружающей среды, а также в морской экологии и морском транспорте.

Применение концепции экраноплана в надводных робототехнических комплексах также становится перспективным. Экраноплан – это судно, способное передвигаться по воде, воздуху и почти на поверхности земли благодаря силе, создаваемой подвеской над поверхностью, на которой он движется. Такая технология позволяет экраноплану достигать высоких скоростей и маневренности на морской поверхности.

Современные надводные робототехнические комплексы на базе экраноплана – это инновационный дизайн-концепт, который предполагает использование технологии экранопланов для создания высокоэффективных и маневренных надводных РТК (рис. 8)

,
.

Дизайн-концепты современных РТК на основе экраноплана и гидроконвертоплана [15], [16]

Рисунок 8 - Дизайн-концепты современных РТК на основе экраноплана и гидроконвертоплана [15], [16]

Концепция надводных РТК на базе экраноплана предполагает использование такой же технологии для создания беспилотных надводных устройств. Это позволяет устройствам достигать высоких скоростей и маневренности на морской поверхности, что делает их идеальными для различных задач, таких как патрулирование, поиск и обнаружение объектов, мониторинг окружающей среды и другие
.

Современные надводные РТК на базе экраноплана обычно оснащены мощными двигателями и системами управления, которые позволяют операторам управлять устройствами с помощью дистанционных устройств и программного обеспечения. Они также могут быть оснащены современными системами навигации и обнаружения, такими как радары, сонары и камеры высокого разрешения

.

Однако существуют некоторые проблемы при создании надводных РТК на базе экраноплана, такие как повышенная сложность в управлении и обслуживании из-за высоких требований к маневренности и скорости. Также необходимо учитывать экологические факторы и возможность повреждения морской среды при использовании таких устройств.

Концепция гидроконвертоплана представляет собой гибрид между гидропланом и вертолетом (рис. 8, справа). Она основана на использовании главного ротора, который может вертикально поднимать и удерживать гидроконвертоплан в воздухе, а также наличии крыльев для поддержания полета. Эта концепция также может быть применена в надводных робототехнических комплексах. Такие комплексы способны работать в различных условиях, в том числе на поверхности воды, в воздухе и под водой. Кроме того, они могут иметь более высокую скорость и маневренность по сравнению с традиционными надводными роботами.

Одним из возможных путей решения проблем, связанных с дизайном надводных робототехнических комплексов на базе концепции гидроконвертоплана, является разработка новых материалов и технологий производства, которые позволят уменьшить затраты на производство и эксплуатацию таких комплексов.

Для выполнения различных подводных работ разрабатываются разные автономные беспилотные подводные аппараты. В частности, существует и концепция гусеничного вездехода, способного передвигаться по дну и нести необходимое целевое оборудование. Такая техника была разработана американской компанией Bayonet Ocean Infinity (рис.9)

,
,
. Эти аппараты используются для поиска и исследование морского дна, обнаружения подводных объектов, оценки экологических условий.

На данный момент в семейство Bayonet («Штык») входит три подводных аппарата: Bayonet 150, Bayonet 250 и Bayonet 350, которые имеют разные размеры, массу и назначение. Все эти изделия являются дистанционно управляемыми автономные гусеничными машинами, с бортовым компьютером, спутниковой системой навигации, на глубине съемный буй с антенной или кабелем.

Изделие «Bayonet 250» и т тяжелый вездеход «Bayonet 350» [17]

Рисунок 9 - Изделие «Bayonet 250» и т тяжелый вездеход «Bayonet 350» [17]

В настоящее время беспилотные подводные аппараты с разными характеристиками и возможностями пользуются популярностью среди разработчиков и потенциальных заказчиков
,
. В дизайн-проектах морских робототехнических комплексов военного назначения, особое внимание уделяется их боевым характеристикам и функциональности.

Одной из ключевых концепций в дизайне надводных робототехнических комплексов является концепция «умного» робота, способного самостоятельно принимать решения и адаптироваться к изменяющейся ситуации на поле боя. В таких комплексах широко применяются сенсорные системы, технологии искусственного интеллекта и другие современные технологии для повышения эффективности и автономности роботов.

Компания Saab предлагает семейство полуавтономных дистанционно управляемых подводных аппаратов «Double Eagle ROV». Новейшее дополнение семейства – система нейтрализации мин «Multi-Shot Mine Neutralisation System».  Дистанционно управляемый подводный аппарат проверки и обезвреживания мин «SeaFox» (рис. 10)

.

Дистанционно управляемые подводные аппараты «Double Eagle», система проверки и обезвреживания мин «SeaFox» [18]

Рисунок 10 - Дистанционно управляемые подводные аппараты «Double Eagle», система проверки и обезвреживания мин «SeaFox» [18]

Также в дизайн-проектах морских робототехнических комплексов военного назначения важное место занимают вопросы безопасности и защиты от вражеских атак. Для этого используются различные защитные системы, такие как защитные экраны, бронирование, системы обнаружения и уничтожения угроз и т.д.

Еще одной важной концепцией в дизайн-проектах надводных робототехнических комплексов военного назначения является концепция «интероперабельности». Это означает, что комплексы должны быть способны взаимодействовать между собой и с другими военными системами для эффективного выполнения задач

,
.

Таким образом, дизайн-проекты морских робототехнических комплексов военного назначения сфокусированы на создании многофункциональных, автономных и безопасных комплексов, которые могут успешно выполнять различные задачи в военных операциях.

5. Перспективы будущего развития робототехнических комплексов

Проблемы, связанные с дизайном современных надводных робототехнических средств, могут быть решены различными способами. Рассмотрим несколько возможных путей решения:

- использование новых материалов и технологий производства. Применение новых материалов, таких как карбоновые волокна или сплавы на основе титана, может позволить создавать более легкие и прочные корпуса для надводных робототехнических средств. Также использование новых технологий производства, например, 3D-печати, может значительно сократить время и затраты на изготовление прототипов и экспериментальных образцов.

- усовершенствование систем автономной навигации. Автономные системы навигации играют ключевую роль в управлении надводными робототехническими средствами. Усовершенствование таких систем может повысить точность и эффективность управления, а также обеспечить более безопасную эксплуатацию.

- разработка новых алгоритмов управления. Новые алгоритмы управления могут обеспечить более эффективное использование энергии, более точное и гибкое управление, а также улучшение других характеристик надводных робототехнических средств.

- создание гибридных систем. Использование гибридных систем, таких как комбинация механических и электрических приводов, может позволить создавать более эффективные и универсальные надводные робототехнические средства.

- развитие технологий беспроводной связи. Современные технологии беспроводной связи позволяют создавать более надежные и быстрые каналы связи между надводными робототехническими средствами и операторами. Развитие таких технологий может существенно повысить эффективность управления надводными робототехническими средствами и обеспечить более безопасную эксплуатацию.

6. Заключение

В итоге можно сделать вывод, что современные дизайн-проекты надводных робототехнических комплексов обладают высокой функциональностью и универсальностью в применении, благодаря использованию передовых технологий и инновационных решений в конструировании и привлечению опыта других отраслей. Однако проектирование и создание эффективных надводных робототехнических комплексов остается сложной задачей, требующей учета множества факторов, включая различные аспекты производственного, экономического, технического и экологического характера.

Следует также отметить, что на данный момент существует ряд проблемных вопросов, связанных с дизайном современных надводных робототехнических комплексов, таких как повышение энергоэффективности, улучшение маневренности, увеличение дальности действия и прочее. Однако с развитием науки и технологий можно ожидать появления новых инновационных решений и возможностей для решения данных проблем.

Таким образом, конструкция надводных робототехнических комплексов является перспективным направлением развития современных технологий и может иметь широкое применение в различных областях, включая морскую эксплуатацию, научные исследования, военную и промышленную сферы, экологический контроль и спасательные операции.

Article metrics

Views:522
Downloads:22
Views
Total:
Views:522