Автономное подводное транспортное средство

Автономное подводное транспортное средство (AUV) – это робот, который путешествует под водой, не требуя ввода от оператора. AUV составляют часть более широкой группы подводных систем, известных как беспилотные подводные аппараты, классификация, которая включает в себя неавтономные дистанционно управляемые подводные аппараты (ROV), управляемые и приводимые в действие с поверхности оператором / пилотом через пупочный пульт или с помощью пульта дистанционного управления. В военных применениях AUV чаще называют беспилотным подводным аппаратом (UUV). Подводные планеры являются подклассом AUV.

история
Первый AUV был разработан в Лаборатории прикладной физики в Вашингтонском университете еще в 1957 году Стэном Мерфи, Бобом Франсуа, а затем и Терри Эвартом. «Специальное подводное исследовательское транспортное средство» или SPURV использовалось для изучения диффузии, акустической передачи и подводных волн.

Другие ранние AUV были разработаны в Массачусетском технологическом институте в 1970-х годах. Один из них демонстрируется в Морской галерее Харт в Массачусетском технологическом институте. В то же время, AUVs также были разработаны в Советском Союзе (хотя это не было широко известно до намного позже).

Приложения
До недавнего времени AUV использовались для ограниченного числа задач, продиктованных доступной технологией. Благодаря разработке более совершенных возможностей обработки и мощностей с высоким уровнем мощности, AUV теперь используются для решения все большего числа задач, когда роли и миссии постоянно развиваются.

коммерческий
Нефтяная и газовая промышленность использует AUV для составления подробных карт морского дна, прежде чем они начнут строить подводную инфраструктуру; трубопроводы и подводные полеты могут быть установлены наиболее экономически эффективным образом с минимальным нарушением окружающей среды. AUV позволяет компаниям-исследователям проводить точные обследования районов, где традиционные батиметрические обследования будут менее эффективными или слишком дорогостоящими. Кроме того, теперь возможны опробование труб после прокладки, включая осмотр трубопровода. Использование AUV для контроля трубопроводов и инспекции подводных искусственных сооружений становится все более распространенным явлением.

Исследование

Исследователь из Университета Южной Флориды разворачивает Tavros02, солнечный «чириканье» AUV (SAUV)
Ученые используют AUV для изучения озер, океана и дна океана. Для измерения концентрации различных элементов или соединений, поглощения или отражения света и наличия микроскопической жизни могут быть прикреплены различные датчики к AUV. Примеры включают датчики глубины проводимости-температуры (CTD), флюорометры и датчики pH. Кроме того, AUV могут быть сконфигурированы как транспортные средства для доставки индивидуальных пакетов датчиков в определенные места.

Хобби
Многие роботисты строят AUV как хобби. Существует несколько соревнований, которые позволяют этим самодельным AUV конкурировать друг с другом при достижении целей. Как и их коммерческие братья, эти AUV могут быть оснащены камерами, фонарями или гидролокаторами. Как следствие ограниченных ресурсов и неопытности, любители AUV редко могут конкурировать с коммерческими моделями от операционной глубины, долговечности или сложности. Наконец, эти хобби AUV обычно не oceangoing, большую часть времени они работают в бассейнах или на озерах. Простой AUV может быть сконструирован из микроконтроллера, корпуса из ПВХ, автоматического привода дверного замка, шприцев и реле DPDT. Некоторые участники соревнований создают проекты с открытым исходным кодом.

Незаконный оборот наркотиков
Подводные лодки, которые отправляются автономно в пункт назначения с помощью GPS-навигации, были совершены незаконными торговцами наркотиками.

Расследование авиакатастрофы
Автономные подводные аппараты, например AUV ABYSS, были использованы для обнаружения обломков пропавших самолетов, например Air France Flight 447, а Bluefin-21 AUV использовался для поиска рейса 370 авиакомпании Malaysia Airlines.

Военные приложения
Мастер-план ВМФ ВМФ (UUV) определил следующие миссии UUV:

Разведка, наблюдение и разведка
Контрмеры
Противолодочная война
Контроль / идентификация
океанография
Узлы связи / навигации
Доставка полезной нагрузки
Информационные операции
Критический момент

Генеральный план ВМФ разделил все UUV на четыре класса:

Класс переносного автомобиля: 25-100 фунтов; 10-20 часов выносливости; запускается с небольших водных судов вручную (т. е. Mk 18 Mod 1 Swordfish UUV)
Легкий класс автомобиля: до 500 фунтов вытеснения, 20-40 часов выносливости; запущен с RHIB с использованием системы запуска / ретривера или кранами с надводных кораблей (т. е. Mk 18 Mod 2 Kingfish UUV)
Класс тяжеловесного автомобиля: объем перемещения до 3000 фунтов, выдержка на 40-80 часов, запущенная с подводных лодок
Большой класс автомобилей: до 10 тонн; запущен с надводных кораблей и подводных лодок

Конструкции транспортных средств
Сотни различных AUV были разработаны за последние 50 лет, но лишь немногие компании продают автомобили в любом значительном количестве. Есть около 10 компаний, которые продают AUV на международном рынке, в том числе Kongsberg Maritime, Hydroid (теперь дочерняя компания Kongsberg Maritime), Bluefin Robotics, Teledyne Gavia (ранее известный как Hafmynd), International Submarine Engineering (ISE) Ltd, Atlas Elektronik и OceanScan.

Транспортные средства варьируются от портативных легких AUV до автомобилей большого диаметра длиной более 10 метров. Большие транспортные средства имеют преимущества с точки зрения надежности и грузоподъемности датчика; меньшие транспортные средства, значительно выигрывают от снижения логистики (например: поддержка след судна; запуск и восстановление системы).

Некоторые производители выиграли от спонсорства со стороны правительства, включая Bluefin и Kongsberg. Рынок эффективно разделен на три области: научные (в том числе университеты и исследовательские агентства), коммерческие оффшорные (нефть и газ и т. Д.) И военное применение (противоминные мины, подготовка боевого пространства). Большинство этих ролей используют аналогичный дизайн и работают в режиме круиза (торпедный тип). Они собирают данные, следуя заранее спланированному маршруту со скоростью от 1 до 4 узлов.

Коммерчески доступные AUV включают в себя различные конструкции, такие как небольшой REMUS 100 AUV, первоначально разработанный Oceanox Ocean Woods в США, и теперь выпускаемый коммерчески компанией Hydroid, Inc. (дочерняя компания Kongsberg Maritime). более крупные HUGIN 1000 и 3000 AUV, разработанные Kongsberg Maritime и Norwegian Defense Research Establishment; (300 и 530 мм) транспортных средств Bluefin Robotics и International Submarine Engineering Ltd. Большинство AUV следуют традиционной торпедной форме, поскольку это считается лучшим компромиссом между размером, используемым объемом, гидродинамической эффективностью и простота обращения. Существуют некоторые транспортные средства, которые используют модульную конструкцию, позволяя операторам легко изменять компоненты.

Рынок развивается, и проекты теперь следуют коммерческим требованиям, а не являются чисто развитием. Предстоящие проекты включают в себя зависящие от ветра AUV для контроля и световой интервенции (в первую очередь для оффшорных энергетических приложений) и гибридные конструкции AUV / ROV, которые переключаются между ролями как часть их профиля миссии. Опять же, рынок будет определяться финансовыми требованиями и целью сэкономить деньги и дорогостоящее время на корабле.

Сегодня, хотя большинство AUV способны выполнять неконтролируемые миссии, большинство операторов остаются в пределах диапазона акустических систем телеметрии, чтобы внимательно следить за их инвестициями. Это не всегда возможно. Например, недавно Канада взяла на себя поставку двух AUV (исследователей ISE) для изучения морского дна под арктическим льдом в поддержку их претензии в соответствии со статьей 76 Конвенции Организации Объединенных Наций по морскому праву. Кроме того, сверхнизкие мощности, дальние варианты, такие как подводные планеры, могут работать без присмотра в течение нескольких недель или месяцев в прибрежных и открытых океанских районах, периодически передавая данные спутником на берег, прежде чем возвращаться к подбору.

С 2008 года разрабатывается новый класс AUV, который имитирует проекты, найденные в природе. Хотя большинство из них в настоящее время находятся на экспериментальной стадии, эти биомиметические (или бионические) транспортные средства способны достичь более высокой степени эффективности в движении и маневренности путем копирования успешных конструкций в природе. Два таких автомобиля – AquaJelly (AUV) Festo и EvaLogics BOSS Manta Ray.

датчиков
AUV несут датчики для автономной навигации и отображения функций океана. Типичные датчики включают компасы, датчики глубины, боковые стенки и другие гидролокаторы, магнитометры, термисторы и измерители проводимости. Некоторые AUV оснащены биологическими датчиками, в том числе флюорометрами (также известными как датчики хлорофилла), датчиками мутности и датчиками для измерения pH и количества растворенного кислорода.

Демонстрация в Monterey Bay в Калифорнии в сентябре 2006 года показала, что AUV мощностью 21 дюйм (530 мм) может буксировать гидрофонную решетку длиной 400 футов (120 м) при сохранении крейсерской скорости на 6 узлов (11 км / ч).

навигация
Радиоволны не могут проникать в воду очень далеко, поэтому, как только AUV ныряет, он теряет свой GPS-сигнал. Таким образом, стандартный способ для AUV для навигации по подводному плану – с помощью мертвой расплаты. Однако навигацию можно улучшить с помощью подводной акустической системы позиционирования. При работе в сетях с морским дном развернутые базовые транспондеры это называется навигацией LBL. Когда имеется ссылка на поверхность, такая как опорный корабль, для определения местоположения подводного транспортного средства относительно известного (GPS) положения поверхностного судна используется положение ультра-короткой базовой линии (USBL) или короткого базового положения (SBL) с помощью акустического диапазона и измерений подшипников. Чтобы улучшить оценку его положения и уменьшить ошибки в подсчете мертвых (которые растут с течением времени), AUV также может нанести и зафиксировать свое собственное GPS-исправление. Между фиксацией положения и точным маневрированием, Инерциальная навигационная система на борту AUV вычисляет с помощью мертвой точки отсчет положения, ускорения и скорости AUV. Оценки могут быть сделаны с использованием данных Инерциального измерительного блока и могут быть улучшены путем добавления Doppler Velocity Log (DVL), который измеряет скорость движения по дну моря / озера. Как правило, датчик давления измеряет вертикальное положение (глубина транспортного средства), хотя глубина и высота также могут быть получены из измерений DVL. Эти наблюдения фильтруются для определения окончательного решения для навигации.

силовая установка
Для AUV есть пара движительных методов. Некоторые из них используют щеткой или без щеткой электрический двигатель, коробку передач, уплотнение губ и пропеллер, который может быть окружен соплом или нет. Все эти части, встроенные в конструкцию AUV, задействованы в двигателе. Другие транспортные средства используют блок двигателя для поддержания модульности. В зависимости от потребности двигатель малой тяги может быть оснащен соплом для защиты от столкновения с пропеллером или для уменьшения подачи шума или может быть оснащен прямым приводом, чтобы поддерживать эффективность на самом высоком уровне и шумы на самом низком уровне. Усовершенствованные усилители AUV имеют избыточную систему уплотнения вала, чтобы гарантировать надлежащее уплотнение робота, даже если одно из уплотнений не срабатывает во время миссии.

Подводные планеры непосредственно не двигаются. Изменяя их плавучесть и отделку, они постоянно тонут и поднимаются; аэродинамические «крылья» преобразуют это движение вверх и вниз вперед. Изменение плавучести обычно осуществляется с помощью насоса, который может забирать или вытеснять воду. Шаг автомобиля можно регулировать путем изменения центра масс транспортного средства. Для планера Slocum это делается внутренне, перемещая батареи, которые установлены на винте. Из-за своей низкоскоростной и маломощной электроники энергия, необходимая для циклического регулирования состояний, намного меньше, чем для обычных AUV, а у планеров могут быть выдержки месяцев и трансокеанских диапазонов.

Мощность
Большинство используемых в настоящее время AUV питаются от перезаряжаемых батарей (литий-ионный, литиевый полимер, никель-металлгидрид и т. Д.) И реализованы в какой-то форме системы управления батареями. Некоторые автомобили используют первичные батареи, которые обеспечивают, возможно, вдвое большую выносливость, при существенных дополнительных расходах на каждую миссию. Некоторые из более крупных автомобилей рассчитаны на использование полуфабрикатов на основе алюминия, но они требуют значительного технического обслуживания, требуют дорогостоящих заправок и производят отходы, которые необходимо безопасно обрабатывать. Появляющаяся тенденция заключается в объединении различных батарей и энергосистем с суперконденсаторами.