Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0089

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0089
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева"
Название доклада
Автономный мобильный робототехнический комплекс мониторинга прибрежной зоны и прогнозирования морских природных катастроф
Докладчик
Куркин Андрей Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель проекта: Разработка комплекса научно-технических решений в области создания автономных мобильных робототехнических комплексов (АМРК) для мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды с целью обеспечения надежности и безопасности гидротехнических сооружений в прибрежной зоне.
Задачи проекта:
1. Исследование физико-механических характеристик опорных поверхностей прибрежных районов и процессов взаимодействия разных типов движителей с их опорными поверхностями. Проведение математического моделирования движения шасси АМРК в условиях береговой зоны. Создание мобильного шасси со сменными движителями (колесным, гусеничным, роторно-винтовым).
2. Разработка перечня необходимого измерительного и исследовательского оборудования для установки на АМРК, позволяющего производить мониторинг прибрежной зоны с максимальной адаптивностью к состоянию шасси и условиям окружающей среды.
3. Разработка программного комплекс для функционирования измерительного оборудования экспериментального образца (ЭО) АМРК и системы его беспилотного управления.
4. Создание полноразмерного ЭО АМРК и проведение его экспериментальных испытаний на побережье залива Мордвинова (Охотское моря, о. Сахалин).
5. Разработка проекта Технического Задания на проведение ОКР по теме: «Разработка автономного мобильного робототехнического комплекса мониторинга прибрежной зоны и прогнозирования морских природных катастроф».
Актуальность и новизна исследования
Для понимания механизмов происхождения морских природных катастроф крайне важно организовать обследование побережья для получения количественной информации о характеристиках затопляемой зоны. Стандартные подходы гидродинамического измерения связаны либо с трудоемким сбором данных обычно с ограниченным охватом или методами дистанционного зондирования, которые обычно характеризуются 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.
Описание исследования

В ходе выполнения работ 1 этапа был проведен анализ 50 источников и патентный поиск, в результате которых установлено, что для машин малого класса с колесным движителем целесообразны колесные формулы 6х6 или 8х8 (выбор окончательной компоновки определяется габаритными размерами оборудования, грузоподъемностью, спецификой выполняемых технологических операций). В качестве гусеничного движителя следует использовать съемные гусеничные модули. Показано, что результаты расчетов донного давления, вызванного прохождением солитона произвольной амплитуды вплоть до предельной, близки к полученным в рамках линейной дисперсионной теории, что позволяет использовать последнюю в разрабатываемой методике для экспресс-оценки воздействия уединенных поверхностных волн на подводные конструкции гидротехнических сооружений в прибрежной зоне. Исследованы физико-механические характеристики опорных поверхностей прибрежных районов. Разработаны математические модели взаимодействия разных типов движителей с опорными поверхностями береговой зоны. Разработана принципиально новая конструкция шасси автономного робототехнического комплекса для мониторинга прибрежной зоны, отвечающая специфическим условия эксплуатации.

Новизна научных решений заключается в том, что в отличие от зарубежных аналогов (наиболее близким примером является робототехнический комплекс для мониторинга обстановки в прибрежной зоне RTS-Hanna), использующих в качестве шасси серийные автомобили, для разрабатываемого АМРК создается оригинальное шасси, обеспечивающее наибольшую адаптацию к условиям движения. Также научной новизной является использование передовых методов расчета и выбора параметров АМРК с применением метода визуально-ориентированного блочного имитационного моделирования сложных динамических систем. В плане новизны принятия конструкторских и технологических решений используется подход, обеспечивающий наибольшую унификацию узлов и агрегатов, а также использование в конструкции деталей, узлов и агрегатов отечественного производства.

В ходе выполнения работ 2 этапа разработаны математические модели и  алгоритмы используемые далее для обработки и анализа экспериментальных данных. Разработан программный комплекс для функционирования ЭО АМРК, включающий модуль загрузки данных, модуль представления данных (модель данных), модуль привязки к геокоординатам, модуль анализа данных, модуль мониторинга состояния системы, модуль управления аппаратным обеспечением измерительного оборудования и графический пользовательский интерфейс. Разработана программная документация на данный программный комплекс.

Новизна научных решений заключается в том, что нам удалось показать, что расчетные формулы для высоты наката можно параметризовать и исключить влияние формы подходящей волны, которую всегда трудно измерить. С практической точки зрения, полученные нами аппроксимационные формулы, являются более удобными по сравнению с используемыми ранее приближенными формулами. Простота выражений представляет значительное удобство при проведении инженерных оценок характеристик волн.

В ходе выполнения работ 3 этапа разработан ЭО АМРК мониторинга и прогнозирования морских природных катастроф. Разработана эскизная конструкторская документация на ЭО АМРК  в соответствии с требованиями ТЗ. Полученные при этом результаты использованы при изготовлении полноразмерного ходового экспериментального образца АМРК. Разработана программа и методика его экспериментальных исследований. Осуществлено планирование экспериментального исследования на стационаре СКБ САМИ ДВО РАН (залив Мордвинова, Охотское море, о. Сахалин). Для отработки базовых (основных) алгоритмов работы системы беспилотного движения в рамках данного этапа с применением 3D-принтера разработаны три масштабные (1:10) исследовательские макета АМРК (колесный, гусеничный и роторно-винтовой).

В результате выполнения работ 4 этапа ПНИ проведены экспериментальные исследования экспериментального образца АМРК в различных условиях эксплуатации. Разработана методика по обеспечению необходимого уровня адаптивной подвижности и выбору измерительного оборудования АМРК мониторинга прибрежной зоны и прогнозирования морских природных катастроф в зависимости от характеристик опорных поверхностей прибрежных районов. Разработан прогноз перспектив коммерциализации РИД, полученных при выполнении ПНИ.

В результате проведенных экспериментальных исследований установлена эффективность разработанной технологии и определено соответствие параметров АМРК предъявляемым требованиям ТЗ.

Результаты исследования

Основные научно-технические результаты:

1. Конструкторская документация на АМРК, 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.

2. Перечень рекомендуемого измерительного и исследовательского оборудования для установки на мобильную платформу, позволяющего производить мониторинг прибрежной зоны с максимальной адаптивностью к состоянию к условиям окружающей среды и состоянию шасси: элементы системы технического зрения, систему позиционирования, бортовой вычислитель.

3. Программная документация на программный комплекс для функционирования измерительного оборудования ЭО АМРК и системы его беспилотного управления.

4. Полноразмерный ходовой экспериментальный образец АМРК (длина - 4 м, ширина - 2,5 м).

5. Три ходовые 3D-модели экспериментального образца АМРК (1:10) с различными типами движителей (колесный, гусеничный, роторно-винтовой), на которых отрабатывались алгоритмы беспилотного управления.

6. Отчет об экспериментальных испытаниях ЭО АМРК на побережье залива Мордвинова (Охотское море, о. Сахалин) и на побережье Горьковского водохранилища.

7. Результаты анализа физико-механических характеристик опорных оснований и математические модели процессов взаимодействия разных типов движителей с поверхностями движения в условиях прибрежных районов.

По результатам проекта получено два свидетельства о регистрации программ для ЭВМ (№ 2015618244 от 04.08.2015 "Программный комплекс автономного мобильного робототехнического комплекса мониторинга прибрежной зоны" и № 2016660651 от 19.09.2016 "Программный комплекс для дистанционного управления автоматизированной мобильной робототехнической платформой") и один патент на полезную модель (№ 155756 от 24.09.2015 "Мобильное шасси автоматизированного робототехнического комплекса"). Поданы заявки на патенты на полезную модель ("Автономное мобильное робототехническое транспортное средство") и изобретение ("Автономный мобильный робототехнический комплекс").

Большинство полученных результатов являются новыми, что подтверждается их публикациями в высокорейтинговых международных журналах (Доклады Академии Наук, Известия РАН. Физика атмосферы и океана, Science of Tsunami Hazards, Экологические системы и приборы), и не имеют аналогов.

Результаты проекта отмечены золотыми медалями на 43-й и 44-й Международных выставках изобретений «INVENTIONS GENEVA» (Женева, Швейцария, 2015, 2016), серебряной и золотой медалями на 26-й и 27-й Международных выставках инноваций и новых технологий (ITEX) (Куала-Лумпур, Малайзия, 2015, 2016), бронзовой медали на Сеульской международной ярмарки изобретений SIIF’15 (Сеул, Корея, 2015),  серебряной медалью на 19-ом Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед» (Москва, Россия, 2016).

Информация о ходе выполнения проекта размещена на официальном сайте Министерства образования и науки Российской Федерации (http://www.sciencemon.ru/blog/52) и в интернет-издания «Наука и технологии России – STRF.ru» (www.strf.ru) (http://www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=222&d_no=118654).

Практическая значимость исследования
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). АМРК будут 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.
Модульный принцип построения конструкции АМРК 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.
После разработки экспериментального образца автономного мобильного робототехнического комплекса мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды и проведения его испытаний может быть организован серийный выпуск в количестве примерно 20 шт. в год. Потенциальный объем рынка в России составит 100-150 шт. в год.
Потребителями данной продукции могут быть компании, занимающиеся добычей нефти и газа; компании, осуществляющие геологоразведку; организации охраны окружающей среды, МЧС России и Росатом.
Презентация

Presentation_RP_14.574.21.0089.pptx