Разработка интервенционных автономных необитаемых подводных аппаратов и их систем управления для выполнения технологических операций над объектами подводной инфраструктуры

Объектом исследования являются интервенционные автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА) и их систем управления (СУ) для выполнения технологических операций над объектами подводной инфраструктур, их составные части, конструкции, датчики, движители, исследовательская аппаратура и т.д. Целью исследования является создание теоретической базы и на ее основе – практической реализации принципиально новых интервенционных АНПА, сочетающих в себе преимущества телеуправляемых и автономных аппаратов. Работа таких аппаратов-роботов не требует использования специализированных обеспечивающих судов, многочисленного обслуживающего персонала, их перемещения не ограничены длиной кабель-троса, но главной их особенностью является оснащение многозвенными манипуляторами, телескопическими качающимися упорами для выполнения стыковочных и контактных технологических операций, системами технического зрения (СТЗ) и искусственного интеллекта. При этом планируется разработка и экспериментальная апробация технологии эффективного использования интервенционных АНПА для выполнения важнейших подводных операций для освоения морских месторождений, создания портовой инфраструктуры и гидросооружений Дальневосточного Федерального Округа. Методы проведения исследований базируются на основных положениях теории и практики построения информационно-измерительных и управляющих систем, методах идентификации характеристик динамических систем, методах компьютерного моделирования и вычислительной геометрии, теории программирования, общей теории систем, анализа изображений, математической логики, численных методах математического анализа. В ходе выполнения НИР в 2024 г. были получены следующие новые научные результаты. 1) Выполнен анализ приоритетных проблем, связанных с использованием интервенционных необитаемых подводных аппаратов (НПА) для выполнения контактных операций с объектами. Для решения выявленных проблем разработан метод синтеза системы позиционно-силового управления НПА, оснащенными многозвенными манипуляторами (ММ), которая обеспечивает автоматическое выполнение контактных манипуляционных операций в режиме зависания аппаратов вблизи или над объектами работ. Для достижения желаемой величины силового воздействия рабочего инструмента на поверхность объекта работ вычисляются величина и направление вектора силы, оказываемой этим инструментом на объект. После чего на приводы всех степеней подвижности манипулятора подаются сигналы управления, обеспечивающие дополнительные перемещения его рабочего инструмента в направлении желаемого вектора силы. Кроме того, для компенсации неизбежных ошибок системы стабилизации НПА, приводящих к отклонениям рабочего инструмента от предписанных ему траекторий, эти траектории автоматически корректируются с учетом реальных смещений аппарата относительно исходного положения. Работоспособность и эффективность системы, синтезированной на основе предложенного метода, подтверждены результатами численного моделирования с визуализацией. 2) Предложен новый метод автоматической стыковки НПА, оснащенных ММ, с подводными стыковочными платформами (СП), которые могут иметь произвольную пространственную ориентацию. Этот метод предполагает захват схватом ММ универсального крепления (штанги), установленного на СП, с последующей стыковкой аппарата за счет автоматического изменения конфигурации манипулятора. При этом с учетом текущего взаимного расположения СП и НПА автоматически формируется желаемая траектория движения схвата манипулятора с его изменяемой ориентацией, обеспечивающая необходимые перемещения корпуса НПА в направлении СП. Поскольку при отработке стыковочной траектории на удерживающийся схват ММ неизбежно будут воздействовать силы и моменты, приводящие к срыву операции стыковки, предложено компенсировать указанные негативные динамические воздействия, рассчитываемые в реальном масштабе времени, с помощью тяг, создаваемых движителями НПА. 3) Разработана система для автоматический идентификации проблемных участков протяженных объектов с использованием АНПА на основе данных, получаемых от СТЗ, в частности многолучевых гидроакустических сонаров. Предложенная система позволяет в режиме реального времени на бортовом ЭВМ АНПА динамически строить трехмерную модель трубопровода на основе облаков точек, получаемых от СТЗ. На основе указанной модели автоматически определяется положение протяженного объекта в пространстве и его кривизна, а также уровень погружения трубы в донный грунт. Система формирует информацию о состоянии трубопровода, которая может быть отправлена на пост оператора с использованием гидроакустического канала связи. Программная реализация выполнена на языке программирования Python, исследования проводились с помощью численного моделирования в среде CoppeliaSim. Результаты моделирования подтвердили работоспособность системы и высокую эффективность её использования. 4) Разработан алгоритм выделения дефектов в облаках точек целевых объектов, позволяющий повысить точность их идентификации для последующего планирования перемещений АНПА и рабочего инструмента ММ. Также были определены взаимосвязи создаваемых функциональных модулей создаваемой системы автономного выполнения манипуляционных операций, и составлена специальная база данных, для которой подготовлены эталонные модели целевых объектов, сформированы проверочные траектории, траектории движения рабочего инструмента ММ, а также в составлены конфигурационные файлы, которые задают для программного драйвера системы тип целевого объекта и порядок программной обработки облаков точек для конкретного объекта работ. Для подготовки разрабатываемого манипуляционного комплекса и АНПА к реальному применению выполнена серия успешных экспериментов с реальными объектами в испытательном бассейне и воздушной среде.