Создание теоретической базы для построения подводных робототехнических комплексов, способных в полностью автономном режиме автоматически выполнять сложные технологические операции в глубинах океана

В настоящее время все подводные технологические операции на малых (ограниченных) глубинах выполняются водолазами, а на больших – телеуправляемыми подводными аппаратами (ТПА), оснащаемыми манипуляторами. Однако использование этих ТПА сопровождается обязательным применением дорогостоящих специализированных судов, содержащих целый комплекс массивных спуско – подъемных устройств и механизмов, включающих габаритную лебедку, мощный кабель-трос, соединяющий судно с коммутационным блоком-заглубителем, и легкий плавучий кабель, соединяющий этот блок – заглубитель с самим подводным аппаратом, оснащаемым манипулятором. Даже опытному капитану судна наводить всю эту гирлянду в условиях переменных ветровых и волновых нагрузок, а также неизвестных подводных течений на подводную цель, да еще и в возможных стесненных условиях (вблизи надводно-подводных сооружений) крайне сложно, не говоря уже о проблемах точного перемещения операторами самих ТПА при наличии неизвестных течений и длинных кабелей, которые на значительной глубине начинают приобретать большую жесткость. В этих условиях операторам приходится больше заботиться об исключении запутываний и обрывов легких кабелей, а также возможных соударений блоков-заглубителей с дном, чем о выполнении требуемых технологических операций. Производительность такой работы сейчас крайне низка. Многолетний опыт эксплуатации этих телеуправляемых систем показывает, что за одно погружение подводный аппарат едва успевает проходить в среднем 2-3 километра по предписанному маршруту следования, выполняя намеченную работу. С учетом этой низкой производительности и высокой стоимости судна, а также всего многочисленно обслуживающего персонала указанный способ выполнения подводных операций является крайне неэффективным. Поэтому уже сейчас очевидно, что максимальное количество подводных работ должно выполняться полностью автономными необитаемыми подводными аппаратами (АНПА) – роботами. Сейчас с развитием компьютерной и сенсорной техники в мире появилась возможности реального создания таких АНПА-роботов, оснащаемых многозвенными манипуляторами. Эти роботы в полностью автоматическом режиме призваны выполнять даже сложные подводные технологические операции. Однако их создание для работы в условиях почти полной неопределенности и изменчивости окружающей среды еще требует решения многих научных проблем и задач. Поэтому в мире указанных роботов пока нет. Однако коллектив исполнителей, в целом имеющий почти сорокалетний опыт успешной работы в указанной области, уже готов за установленное проектом время с использованием дополнительных источников финансирования создать действующий образец автономного подводного комплекса с манипулятором и испытать его в реальных условиях эксплуатации. Эта уверенность основана на том, что у коллектива уже имеются теоретические решения многих необходимых задач, которые апробированы на практике, и через полтора – два года с использованием имеющегося дополнительного финансирования будет изготовлена механическая часть АНПА с манипулятором, который сейчас уже во многом создан. Главной научной проблемой при создании работоспособной конструкции АНПА - робота с манипулятором, которую предполагается решить в проекте, является создание эффективной интеллектуальной информационно-измерительной и управляющей системы, обеспечивающей оперативное взаимодействие всех основных узлов и блоков робота. Однако у коллектива исполнителей уже имеется большой опыт создания и реального использования подобных систем для мобильных и промышленных роботов различного вида и назначения. Поэтому даже с учетом того, что указанный объект управления значительно превосходит по сложности все созданные ранее робототехнические устройства, у коллектива, в состав которого входит много молодых, но уже хорошо известных в стране исследователей, имеется твердое убеждение в успешном завершении проекта. Тем более, что многие сопутствующие проблемы и задачи уже не только успешно решены теоретически, но и апробированы на практике. Ниже обозначены основные задачи, которые поставлены и должны быть решены в рамках указанной главной проблемы. Решения этих задач в виде устройств, систем и алгоритмов будут включены в создаваемую единую интеллектуальную цифровую информационно-измерительную и управляющую систему подводного манипуляционного робота и должны обеспечить его успешную работу при автономном выполнении многих подводных технологических операций. К этим задачам относятся: - разработка и реализация эффективной структуры многоуровневой цифровой интеллектуальной информационно-измерительной и управляющей системы и алгоритмов обмена данными, обеспечивающих полноценную и надежную работу всех узлов и блоков роботов в реальном масштабе времени; - разработка методов и технологий формирования высококачественных трехмерных моделей подводной обстановки в ближней зоне выполнения роботами технологических операции с помощью манипуляторов (с использованием различных систем технического зрения; - создание новых скоростных методов оперативного и точного выделения объектов интереса на непрерывно формируемых трехмерных моделях окружающей обстановки; - разработка новых методов планирования траекторий движения АНПА и рабочих органов (инструментов) их манипуляторов в процессе работы с использованием непрерывно создаваемой и корректируемой модели окружающей обстановки (в том числе и при групповом обходе перемещающихся препятствий); - создание эффективных методов решения обратной задачи кинематики подводных манипуляторов для формирования в реальном масштабе времени таких текущих программных значений обобщенных координат, которые за счет дополнительных перемещений АНПА без дополнительных проверок исключат непредсказуемые реверсы приводов при подходе некоторых степеней подвижности манипуляторов к ограничениям, а кинематической схемы многозвенника - к сингулярным положениям; - разработка новых методов формирования режимов (скоростей) движения АНПА и манипуляторов с учетом их непрерывно изменяющегося силового взаимодействия с окружающей водной средой с целью сохранения заданной динамической точности управления (в том числе и при стабилизации АНПА в водной среде вблизи объектов работ). - создание новых методов надежного выделения движущихся подводных объектов при наличия сильных помех на мелководье, построения траекторий и параметров их движения на основе информации, поступающей от гидроакустических станций нового поколения; - разработка системы точного наведения АНПА на движущиеся объекты и сопровождение их с помощью указанных гидроакустических станций с учетом ограниченной пропускной способности гидроакустических каналов связи, а также задержек в передаче данных; - отработка новых методов бесконтактной передачи навигационной информации на малые расстояния между движущимися АНПА с использованием световых маркеров и лазеров; - создание нового метода синтеза самонастраивающихся систем управления приводами подводных роботов и манипуляторов, которые при использовании новых наблюдателей с переменной структурой в реальном масштабе времени обеспечат точную компенсацию негативных последствий от часто появляющихся дефектов в приводах и датчиках роботов, а также от переменных воздействий со стороны водной среды. Решения остальных задач, необходимые для успешного создания указанной выше информационно-измерительной и управляющей системы, подробно описаны в 10 монографиях и более чем в 200 статьях исполнителей данного проекта, изданных в центральной отечественной и зарубежной печати (некоторые из этих решений приведены ниже в разделе 4.5 заявки).