Регистрация / Вход
Прислать материал

Автономный мобильный робототехнический комплекс мониторинга прибрежной зоны и прогнозирования морских природных катастроф

Докладчик: Куркин Андрей Александрович

Должность: главный научный сотрудник, заведующий кафедрой "Прикладная математика"

Цель проекта:
Для понимания механизмов происхождения морских природных катастроф (цунами, волны-убийцы, штормовые нагоны) крайне важно организовать обследование побережья для получения количественной информации о характеристиках затопляемой зоны. Обычно проведение такого обследования занимает недели, а иногда и месяцы. Так, например, обследование следов катастрофического цунами, случившегося Индийском океане 26 декабря 2004 года, заняло почти год, учитывая масштабы бедствия, затронувшее все страны в бассейне Индийского океана в Азии и Африке. На количество собираемых данных при обследовании влияют множество факторов, в том числе финансовые и политические (опасность захвата заложников, гражданская война). Специально выделим, однако, факторы физического и географического плана, мешающие проведению полноценного обследования, с которыми уже столкнулись участники экспедиций. Именно в таких случаях применение роботизированных комплексов является обоснованным и оптимальным. Перечислим здесь такие факторы: 1.Наличие мин, не указанных на картах. Волны цунами в прибрежной зоне острова Шри-Ланка, где долгие годы проходила гражданская волна, во время цунами 2004 года разбросала установленные там "старые" мины по побережье, так что невозможно было работать на этой территории вообще. В результате, следы цунами на этом участке острова вообще не измерены. 2.Радиоактивное заражение местности. Как известно, цунами, случившееся 11 марта 2011 года у побережья Японии, разрушило атомную станцию Фукушими и привело к радиоактивному заражению побережья. Это помешало своевременному обследованию следов цунами, и соответствующие данные о высотах волн цунами в этом регионе были получены позднее, когда степень радиоактивного заражения ослабела. 3.Недоступность многих участков побережья после случившегося землетрясения и цунами. В частности, остров Шикотан (Курильские острова) во время землетрясения 5 октября 1994 года погрузился в воды океана примерно на 50 см, и многие бухты, до этого легко достигаемые, стали недоступными для посещения с суши. С этим столкнулись участники данного проекта, принимавшие активное участие в обследовании этого цунами высотой до 10 м. 4.Опасность работы в сейсмоактивной зоне, где уже после случившегося землетрясения и цунами возможны сильные афтершоки, которые могут приводить к возникновению оползней и лавин. Основываясь на нашем опыте скажем, что было некомфортно стоять у подножия горы, где проходила линия затопления берега волнами цунами, в то время как с горы скатывались достаточно большие камни во время афтершоков. 5.Опасность для жизни в труднодоступных местах. Так, при обследованиях следов цунами, случившегося после землетрясения 17 июля 1998 года на острове Папуа - Новая Гвинея, многие участки были недоступными из-за нахождения там огромных крокодилов. 6.Малярийная опасность. Опасные маляры распространены в странах Африки и других тропических местах. Для посещения этих местностей необходимы специальные прививки. Опять же основываясь на собственном опыте скажем, что относительно комфортно было на кромке берега, где ветер не давал собираться комарам. Но граница заливания побережья волнами цунами проходила далеко от берега, где ветра не было, и полчища комаров затрудняли работу. Очевидно, что во всех перечисленных случаях полевое обследование с применением роботизированных комплексов имеет несомненное преимущество. Эти комплексы смогут проникать в труднодоступные места, проводя панорамные измерения характеристик затопляемой зоны. Стандартные подходы гидродинамического измерения связаны либо с трудоемким сбором данных обычно с ограниченным охватом или методами дистанционного зондирования, которые обычно характеризующиеся низким разрешением и увеличением расходов. Но, на практике, невозможно учесть все факторы, в особенности, если для исследуемых территорий отсутствуют статистические данные, поэтому для более точного прогнозирования необходим мониторинг этих прибрежных зон, который может быть осуществлен с использованием мобильных средств, оснащенных сканирующим оборудованием и комплексом датчиков. Такие системы идеально подходят для долгосрочного развертывания, так как они дают возможность непрерывного получения данных, охватывая несколько сотен метров от береговой линии, позволяют изучать прибрежные территории в различных временных и пространственных масштабах. Без точных данных об уровне приливов службы спасения не способны осуществлять планирование путей для эвакуации населения прибрежных районов в случае стихийных бедствий. Данная ситуация является примером жизнеспособности технологии непрерывного берегового мониторинга в районах чрезвычайной уязвимости не только для экологических проблем, но и для безопасности и благополучия людей. Кроме того, предлагаемые к разработке мобильные системы мониторинга являются необходимым звеном при прогнозировании возможностей разработки ресурсов российского шельфа, значительная часть которых расположена в труднодоступной зоне Арктического шельфа. Существует несколько способов мониторинга прибрежной зоны. Определение текущей ситуации в береговых районах с помощью спутников невозможно при сильной облачности. Кроме того, спутниковые изображения имеют значительно меньшее разрешение в сравнении с результатами аэрофотосъемки. Однако использование беспилотных летательных аппаратов требует персонала, и они не предусматривают транспортировку тяжелой и габаритной техники лазерного сканирования, что ведет к уменьшению точности измерений. В настоящее время наиболее рациональным средством диагностирования прибрежной зоны являются топографические измерения для широких прибрежных участков (т.е. несколько км) с использованием автономных роботизированных платформ, оснащенных широким спектром датчиков. Ближайшим аналогом предлагаемой системы является автономный робот RTS-Hanna (Institute of Environmentand Sustainability, Италия), оснащенный лазерными дальномерами, камерами, средствами спутниковой и инерциальной навигации. Но используемое колесное шасси не применимо для широких условий эксплуатации. Конструкция мобильных систем должна определяться исходя из конфигурации полосы суши. При проектировании платформ данного класса необходимо учитывать рельеф побережья, расчлененность заливами, бухтами, виды грунтовых оснований (песчаные, песчано-каменистые, галечно-гравийные, илистые и скалистые), состояние мерзлости слагающих берега пород и их пылеватость, массивность ледяных включений, общие ледовые явления и динамику льдистых берегов, определяющих режимы движения мобильной платформы. Другими словами, подход к созданию автономных мобильных систем мониторинга прибрежной зоны, базирующийся на дооснащении существующих транспортно-технологических комплексов и серийно выпускаемых наземных транспортных средств модульным навесным оборудованием, значительно уступает разработке специальных многоцелевых базовых шасси, на которых размещается тот или иной вариант системы управления, информационной системы и спецоснащения. Очевидной мерой для решения этого вопроса является разработка и создание мобильного робототехнического комплекса с улучшенными эксплуатационными свойствами. При этом наблюдается серьезный пробел в сфере транспортной робототехники, т.е. на рынке отсутствуют отечественные мобильные системы, подходящие под решаемую задачу. Это может быть обеспечено разработкой модульной конструкции шасси с возможностью переоснащения различными типами движителей (колесного, гусеничного, роторно-винтового или комбинированного). Модульный принцип построения конструкции позволит в зависимости от решаемой задачи адаптировать компоновку машины и изменять ее отдельные агрегаты в соответствии с требованиями конечного потребителя. Использование унифицированных комплектующих, использование проверенных конструкторских решений и технологической базы позволяет отметить значительное снижение стоимости базовой комплектации Одним из наиболее сложных вопросов, связанных с созданием описываемого изделия, является обеспечение необходимого уровня подвижности при одновременном обеспечении безопасности движения в условиях труднодоступных участков береговых линий. Высокие показатели подвижности за счет выбора рациональной конструкции машины можно обеспечить лишь частично. При резком изменении условий движения с возникновением критических ситуаций обеспечить подвижность машины можно только путем своевременного изменения основных режимов работы отдельных агрегатов и систем мобильного шасси. Достижение высокой мобильности робототехнических комплексов в представленных условиях движения планируется обеспечивать средствами динамической адаптивной подвижности. Также следует отметить, что предлагаемые к разработке мобильные платформы должны в полной мере удовлетворять требованиям, предъявляемым к наземным вездеходным машинам, и кроме того обладать такими качествами, как плавучесть, остойчивость, непотопляемость, ходкость и способность к самостоятельному входу и выходу из воды на берег. Данный проект направлен на получение значимых научных результатов, позволяющих переходить к созданию автономных мобильных робототехнических комплексов (АМРК) для мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды с целью обеспечения надежности и безопасности гидротехнических сооружений в прибрежной зоне.

Основные планируемые результаты проекта:
Научно-технические результаты, планируемые к получению при выполнении ПНИ:
1. Конструкторская документация на мобильный робототехнический комплекс, включающий шасси с возможностью установки разных типов трансмиссий в зависимости от условий эксплуатации и требования конечного потребителя; сменные движители; надстройку для установки элементов системы технического зрения, системы позиционирования, бортового вычислителя, исполнительных устройств на приводы управления мобильной платформой и оборудования мониторинга прибрежных зон – технический проект (пояснительная записка и графическая часть).
2. Полноразмерный ходовой исследовательский макет многофункционального мобильного комплекса с установленными на нем системами управления машиной и средствами мониторинга прибрежных зон.
3. Программная документация на средства прогнозирования морских природных катастроф.

Основные характеристики планируемых результатов, планируемой научной продукции.
Полноразмерный ходовой исследовательский макет многофункционального мобильного комплекса будет состоять из следующих модулей:
1. шасси с возможностью установки разных типов трансмиссий;
2. сменные движители: колесный; гусеничный; роторно-винтовой;
3. надстройка для установки исполнительных устройств на приводы управления мобильной платформой;
4. аппаратная часть;
5. программное обеспечение.
Количественные показатели эксплуатационных свойств исследовательского макета:
1) габаритные размеры машины должны быть не более 4 метров в длину и 2,5 метров в ширину для обеспечения маневренности в условиях прибрежных зон и возможности транспортировки железнодорожным, водным и автомобильным транспортом без снятия технологического оборудования;
2) полная масса машины должна быть не более 1 тонны;
в) водоизмещение машины должны быть не менее 1 тонны, для возможности движения на плаву;
3) двигатель шасси мощностью 28-40 л.с;
4) максимальная скорость не менее 30 км/ч;
5) скорость передвижения по воде не менее 2 км/ч;
6) преодоление подъема не менее 40%;
7) грузоподъемность не менее 350 кг;
8) система питания, смазки, охлаждения и пуска двигателя будет обеспечивать возможность работы машины в сложных природно-климатических условиях (температура от -45 до +40, относительная влажность воздуха – до 80% (при температуре +20));
9) ходовая часть машины будет иметь возможность компоновки сменными движителями (колесный, гусеничный, роторно-винтовой), обеспечивающими возможность движения в условиях береговых линий;
10) электрооборудование ЭО АМРК будет обеспечивать работу измерительного комплекса (номинальное напряжение в диапазоне 12-24 В, необходимо предусмотреть конвертор бортовой сети из 12-24 В в 220 В, мощность не менее 1000 Вт);
11) корпус шасси будет обеспечивать сохранность и защищенность устанавливаемого оборудования от атмосферных осадков и воздействия окружающей среды, в том числе с учетом аварийных ситуаций;
12) компоновка будет обеспечивать возможность свободного и удобного доступа к местам управления механизмами, регулировки, смазки и ремонта составных частей.

Предлагаемые к разработке автономные мобильные робототехнические комплексы мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды являются необходимым звеном при прогнозировании возможностей разработки ресурсов российского шельфа, значительная часть которых расположена в труднодоступной зоне Арктического шельфа. Они будут оснащены модульной конструкцией шасси с возможностью переоснащения различными типами движителей (колесного, гусеничного, роторно-винтового или комбинированного). Модульный принцип построения конструкции позволит в зависимости от решаемой задачи адаптировать компоновку машины и изменять ее отдельные агрегаты в соответствии с требованиями конечного потребителя. Использование унифицированных комплектующих, проверенных конструкторских решений и технологической базы позволит значительно снизить стоимость базовой комплектации.

Для решения задачи выбора направления исследований в рамках начального этапа настоящего проекта будет проведен аналитический обзор информационных источников, а также систематизация сведений по конструкциям шасси автономных роботизированных платформ и комплексу исследовательского оборудования. Для обеспечения патентной чистоты будут проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96. На данном этапе будут проведены анализ кинематических схем трансмиссий и возможных компоновочных решений, выбор типов движителей, анализ комплекса диагностического оборудования. При этом будет выполнена сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований и обоснован выбор применяемых в дальнейшем технических решений, обеспечивающих оптимальный вариант направления исследований.
Для решения задач теоретических исследований будут проведены исследования физико-механических характеристик опорных поверхностей прибрежных районов; исследования процессов взаимодействия разных типов движителей с опорными поверхностями прибрежных районов и разработка соответствующих моделей взаимодействия. Проведено математическое моделирование движения шасси автономной роботизированной платформы в условиях береговой зоны. Будет осуществлен выбор комплекса датчиков и диагностического оборудования для установки на мобильную платформу, осуществлена разработка требований к установке комплекса диагностического и измерительного оборудования на платформу. Будут разработаны эскизный проект и общая компоновка исследовательского макета мобильного робототехнического комплекса. Разработана программа и методика исследовательских испытаний макета мобильного робототехнического комплекса.
Для проведения экспериментальных исследований будет разработан полноразмерный макет мобильного робототехнического комплекса. Будет проведена экспериментальная реализация элементов проекта на макете с целью выявления рациональных технических решений, используемых шасси автоматизированного многофункционального мобильного аппаратного комплекса.
Для получения значимых научных результатов, позволяющих переходить к созданию нового вида автономных мобильных робототехнических комплексов мониторинга прибрежной зоны и прогнозирования морских природных катастроф будет произведена разработка конструкторской документации на разные варианты шасси автономного мобильного робототехнического комплекса, в том числе: установка двигателя, система питания двигателя, система выпуска отработавших газов, система охлаждения, варианты трансмиссий (механическая, гидрообъемная), дополнительные (бортовые) передачи, привод движителей, остов транспортного средства, варианты ходовой части для разных типов движителей (система подрессоривания для разных типов движителей, движители), рулевое управление, тормозная система, электрооборудование. Будет произведена разработка конструкторской документации на надстройку и установку комплекта измерительного оборудования. Будет произведена разработка алгоритмов оценки и прогнозирования обстановки в прибрежной зоне.
В рамках заключительного этапа будут произведены обобщение и оценка результатов исследований, доработка конструкторской документации и алгоритмов работы мобильного шасси. Проведение сравнительного анализа научно-информационных источников и результатов проведенных исследований позволит оценить эффективность полученных результатов в сравнении с современным научно- техническим уровнем. Разработаны предложения и рекомендация по реализации (коммерциализации) результатов проекта.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Создаваемая научная продукция характеризуется принципиально новыми подходами в области мониторинга прибрежной зоны и диагностирования морских природных катастроф.
Результаты работы позволят решать следующие практические задачи:
–повышение точности определения текущей ситуации в береговых районах с целью прогнозирования возможностей разработки ресурсов российского шельфа (районов Арктики и Дальнего Востока);
–обеспечение непрерывного берегового мониторинга для решения экологических проблем и повышения безопасности и благополучия людей.
Результаты данного проекта будут использованы для проведения опытно-конструкторских и опытно-технологических работ, направленных на создание серийного производства автономных мобильных робототехнических комплексов мониторинга прибрежной зоны и прогнозирования морских природных катастроф на предприятии ООО «Завод вездеходных машин», занимающегося выпуском вездеходных транспортных средств.
Возможно приложение результатов проведенной ПНИР в следующих сегментах: добыча нефти и газа; геологоразведка; охрана окружающей среды; службы ликвидации чрезвычайных ситуаций.

Текущие результаты проекта:
Показано, что для машин малого класса с колесным движителем целесообразны колесные формулы 6х6 или 8х8 (выбор окончательной компоновки определяется габаритными размерами оборудования, спецификой выполняемых технологических операций). В качестве гусеничного движителя следует использовать съемные гусеничные модули.
Показано, что результаты расчетов донного давления, вызванного прохождением уединенной поверхностной волны произвольной амплитуды вплоть до предельной, близки к полученным в рамках линейной дисперсионной теории, что позволяет использовать последнюю в разрабатываемой методике для экспресс-оценки воздействия таких волн на подводные конструкции гидротехнических сооружений в прибрежной зоне.
Разработана принципиально новая конструкция шасси автономного робототехнического комплекса для мониторинга прибрежной зоны, отвечающая специфическим условия эксплуатации (подана заявка на полезную модель).