Портал «Научная Россия» продолжает рассказывать о разработках робототехнических комплексов и беспилотных аппаратов в Институте проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН. В этот раз ― о серии устройств для работы в водной среде, разрабатываемых учеными института. Они способны создать в море навигационную сеть из буев, передающих координаты, исследовать глубины океана или днище корабля с прямой видеотрансляцией, доставить пассажиров, груз или другие аппараты до нужной точки в море и многое другое. Задачи выполняются без непосредственного участия человека, в том числе в опасных, труднодоступных или экстремальных условиях.
Беспилотный каяк ― разработка ИПУ РАН
Фото: Александр Бурмистров / «Научная Россия»
В 2020 г. заведующий лабораторией № 17 М.П. Фархадов (главный конструктор) и научные сотрудники лаборатории А.В. Абдулов и А.Н. Абраменков представляли институт на конкурсе «Восточный бриз — 2020», посвященном морской робототехнике, с аппаратом «Водяной-1» в классе телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов типа А ― сверхлегких аппаратов (до 30 кг). «Водяной-1» ― это шестивинтовой подводный аппарат весом 10 кг. Расположение его движителей позволяет выполнять всенаправленное движение и удерживать заданные углы крена и дифферента.
Уникальный аппарат предназначен для проведения научных исследований в области компьютерного зрения, машинного обучения и управления мобильными роботами под водой. Он также способен патрулировать периметр по заданной траектории и решать множество других задач. Разработка преимущественно нацелена на подводное видеонаблюдение: исследование трубопроводов, рельефа дна, поиск затонувших объектов. С помощью стереокамеры и лазера аппарат определяет расстояние до объекта и позиционируется возле него. При необходимости можно установить манипулятор для переноса некрупных предметов или сбора образцов. «Водяной-1» питается от двух аккумуляторов, которых ему хватает на четыре часа работы. Есть возможность подключить оптоволоконный кабель для высокоскоростной связи.
А.В. Абдулов, научный сотрудник лаборатории №17 ИПУ РАН: «Нам очень нравится, что для работы с аппаратом не требуются значительные человеческие ресурсы и нет необходимости носить большую катушку кабеля, как для многих других аппаратов. Чтобы развернуть подводный аппарат с пирса, нужны только два человека: оператор и помощник. Мы отработали этот сценарий на соревнованиях по морской робототехнике. В перспективе такие устройства могут стать серьезными подводными помощниками, особенно если решить задачу ограниченного ресурса энергии. Например, установить подзарядку через солнечные панели».
Подводный беспилотный аппарат ― разработка ИПУ РАН
Фото: Александр Бурмистров / «Научная Россия»
Александр Абдулов
Фото: Александр Бурмистров / «Научная Россия»
Другое устройство, разработанное учеными ИПУ РАН, ― это надводный управляемый буй. По сигналам GPS он базируется в точке в море, автономно удерживает эту позицию и передает координаты в радиусе 15 км, а через усилитель беспроводного сигнала сети можно обмениваться информацией с берегом. Перспективы двух типов беспилотных аппаратов в полной мере раскрываются в их совместной работе: на аппараты над и под водой можно установить гидроакустические модемы, с помощью которых подводные аппараты обмениваются информацией о взаимном местоположении. При установке как минимум трех пар устройств ― три на поверхности воды и три в глубине ― они создают гидроакустическую сеть. Фактически появляется автономная группировка аппаратов, способная самостоятельно перемещаться в необходимые точки и выполнять там заданные действия. Одна из задач, которую сегодня решают ученые ИПУ РАН, ― это совершенствование гидроакустической связи, в перспективе позволяющее полностью отказаться от кабелей.
М.П. Фархадов, главный научный сотрудник ИПУ РАН, заведующий лабораторией № 17: «Сложности работы с подводными и надводными аппаратами всегда связаны с системами связи. Под водой работает гидроакустическая связь, для нее мы разработали алгоритм, позволяющий передавать позицию аппарата, его координаты, но не более. Одна из важных и сложных задач, которую предстоит решить, ― это моделирование параметров и разработка высокоскоростных каналов гидроакустической связи. Сейчас мы занимаемся этим вопросом. Обеспечив такой канал связи, мы освободимся от кабеля между буями над водой и аппаратами в глубине. Сегодня мы способны следить за трансляцией с подводного аппарата только на ограниченном расстоянии, определенном длиной кабеля, но при высокоскоростной беспроводной связи мы в онлайн-режиме сможем изучать дно морей и океанов и искать необходимые объекты с помощью машинного зрения, установленного на подводных аппаратах».
Сотрудниками института разработан еще один робот, способный работать в связке с буем и подводным аппаратом, ― надводное судно на дистанционном управлении, которое может доставить до нужной точки человека, груз или другие беспилотники, чтобы они не тратили энергию на перемещение. А при необходимости можно использовать судно для надводного видеонаблюдения или как платформу для воздушного беспилотного аппарата.
Сегодня беспилотники, в том числе водные, широко используются в военной промышленности, но ученые уверены, что они найдут применение и в гражданских целях. Все автоматизированные элементы управления, которые изучаются в экспериментах на уменьшенных копиях, позже будут использованы в структуре пассажирских судов. О полностью автоматизированном лайнере речь пока не идет, но отдельные элементы для облегчения работы экипажа внедряться будут: интеллектуальное компьютерное зрение, навигационные системы, системы управления движением и т.п.
Подготовка беспилотного каяка к запуску
Фото: Александр Бурмистров / «Научная Россия»
Подготовка беспилотного каяка к запуску
Фото: Александр Бурмистров / «Научная Россия»
На испытательном полигоне интеллектуальных робототехнических комплексов ИПУ РАН тестируют не только водные и воздушные аппараты, но и наземные, в том числе автомобили, вездеходы и снегоходы на электрических силовых установках. Во многом это партнерская работа: сотрудничающие с институтом промышленные компании предлагают образцы техники, на базе которых ученые создают прототипы систем автоматизации и решают задачи управления.
Н.А. Коргин, главный научный сотрудник ИПУ РАН, профессор МФТИ: «Это движение встречными курсами: партнеры создают опытные изделия, сотрудники нашего института на примерах этих аппаратов демонстрируют свои наработки, компетенции и возможности. Почему мы уделяем много внимания электротехнике? Эта индустрия развивается, появляются новые компоненты, позволяющие иначе взглянуть на разные задачи. Мы не ставим вопрос о полном переходе на электротранспорт, но оцениваем и испытываем его возможности и ограничения».