Розман Б.Я.
Заведующий лабораторией подводной видеотехники Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН, к.т.н.
Также как и компьютеры первых поколений поначалу занимали целые здания, затем залы, затем комнаты, а потом переместились на стол и в портфель, а теперь уже умещаются на ладони, так и наряду с огромными, дорогими подводными роботами, для которых требуются специальные суда-носители со спуско-подъемными устройствами, начали появляться маленькие мини- и микроаппараты, которые становятся все более доступными не только для профессионалов, но и просто для любителей подводного мира.
В этой статье я хочу познакомить читателей с новым типом телеуправляемых подводных осмотровых аппаратов (ТПА), разработанных в России в Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН.
За последние десятилетия в нашем институте накоплен уникальный опыт разработки и использования в морских глубинах разнообразной подводной исследовательской техники. Широко известны глубоководные субмарины "МИР", которые погружаются на глубину до 6 тыс. м. И на сей раз институт удивил мир, но уже ГНОМами — телеуправляемыми мобильными подводными видеокамерами, меньше и маневреннее которых никто в мире пока еще не смог сделать. (Одна из последних моделей весит 1.5 кг и умещается на ладони.) Они предназначены для дистанционных подводных осмотров и видеосъемок в т.ч. и в труднодоступных местах.. Цель этой разработки — создание семейства недорогих, малогабаритных, так называемых "персональных" ТПА с широким спектром применения.
Отличительными чертами их являются легкость транспортировки и простота использования, быстрое развертывание, высокая маневренность, возможность проникновения внутрь осматриваемых объектов, при этом питание от батареи и встроенный плоский ЖК-монитор обеспечивают полную автономность работы в любых условиях, в т.ч. и с маломерных судов и обыкновенных лодок. Управление движением и режимами работы производится с помощью хорошо всем знакомого пульта Sony.
В ГНОМах использованы современные компьютерные и телекоммуникационные технологии на базе последних достижений микроэлектроники и высокочастотной техники, что позволило добиться таких малых габаритов и потребляемой мощности, автономного питания и гибкого управления.
История рождения ГНОМов такова. В середине 90-х годов прошлого столетия профессор Лев Лазаревич Утяков (к глубокой нашей скорби он безвременно ушел из жизни в 2002 г.), выдвинул идею и обосновал возможность создания такого аппарата. К тому времени ряд фирм начал создавать так называемые мини-ROV (remotely operated vehicle – дистанционно управляемый аппарат). Это JW.Fishers Inc (США), Hydrovision (Великобритания). Их аппараты весили соответственно порядка 20 кг, имели многожильный кабель диаметром 12- 15 мм, длиной 80- 120 м, а скорость движения составляла 2-3 узла. В их составе была цветная видеокамера, осветители на галогенных лампах, затем стали добавлять измерители глубины, компас. В качестве движителей использовались серийные электромоторы постоянного тока с коллектором. Они размещались в алюминиевых корпусах с сальниковым уплотнением вокруг оси мотора. Аппараты потребляли 1.5 КВт мощности и питались от обычной электросети, а пульт управления был оснащен телевизором или монитором. Эти мини-ROV могли погружаться на глубины до150 м. Однако многожильный кабель связи и питания создавал ряд проблем: по мере его размотки все больше мощности тратилось на вытягивание такого кабеля, затруднялось движение аппарата, снижались его маневренность и возможность стабилизации, что крайне важно при осмотрах. Так в мини-ROV Scallop фирмы Inuktun (Канада) была даже проблема погружения при размотанном кабеле.
Проработка возможностей использования в аппаратах ROV новых технологий, проведенная автором вместе с Л.Л. Утяковым, показала, что можно создавать аппараты с еще меньшими размерами (микро-ROV), вплоть до размеров мыльницы, и в несколько раз меньшим энергопотреблением при сохранении таких же значений скорости, как и в упомянутых мини-ROV. Такие аппараты смогли бы не только проводить наружные осмотры но и проникать уже и внутрь затонувших объектов и проводить там обследования, что невозможно было делать до сих пор. При этом наиболее перспективным представлялось использование тонких одножильных коаксиальных и оптоволоконных кабелей, сверхярких светодиодов с высоким КПД и практически неограниченным ресурсом работы, бескорпусных миниатюрных видеокамер и бортовых микрокомпьютеров. На основе этих компонентов и был разработаны аппараты семейства ГНОМ.
Система состоит из собственно подводного аппарата ГНОМ, кабеля и надводного блока (в нем источник питания, электроника передачи команд/данных и видео), а также пульта управления. Подводный модуль выполнен в виде герметичного алюминиевого цилиндра с иллюминатором для видеокамеры. К цилиндру прикреплены 4 мини-электродвижителя (два горизонтальные сбоков и два вертикальные вдоль корпуса) с пропеллерами и плавучесть из пенопласта. Внутри цилиндра имеется цветная видеокамера, осветители на светодиодах и блок электроники, а также электронный компас и датчик глубины, мембрана которого выходит наружу. Аппарат управляется через коаксиальный кабель, по которому подается электропитание, команды управления и сигналы с видеокамеры. Пульт управления – это ручной пульт Sony Play station с двумя джойстиками. Надводный блок может быть дополнен плоским видеомонитором. Имеется также стандартный видеовыход (разъем “Тюльпан”) для подключения к устройству записи/воспроизведения, например, стандартному телевизору или видеомагнитофону.
Электропитание либо автономное (встроенный или внешний аккумулятор), либо внешнее 220В.
Вся система с пультом управления размещена в двух переносных чемоданах Pelican: сам аппарат с катушкой кабеля в одном, а блок питания/управления и джойстик - в другом, в котором есть также место для мини-аккумулятора 12В/12АЧ и зарядное устройство.
Подводный робот ГНОМ оснащен видеокамерой высокого разрешения (450твл) с функцией наклона и режимом цифрового zoom. В качестве кабеля использован одножильный коаксиальный кабель диаметром 3мм и длиной до 250м, по которому на ГНОМ передается электропитание (180VDC), видеосигнал с камеры и команды управления, а данные с датчиков ГНОМа транслируются наверх в блок управления. Кабель гибкий и прочный (в оболочке использованы кевларовые нити), намотан на пластмассовую катушку размером 30х30х12см с разъемом со скользящим контактом. Такой кабель позволяет ГНОМу легко маневрировать и удаляться на расстояния 150-200м, он намного дешевле многожильных кабелей, используемых в большинстве известных аналогичных аппаратах, например, в Videoray 2000 фирмы Videoray Inc, США или Seabotix фирмы с таким же именем. Движители сделаны на базе отечественных электромоторов постоянного тока ДПР 42. Для передачи вращения с помещенного в прочный корпус электромотора на ось гребного винта разработана дисковая магнитная муфта, что позволило существенно сократить потери мощности по сравнению с сальниковым уплотнением. Для подсветки использованы сверхяркие экономичные светодиоды, имеющие кпд 80% и практически неограниченный ресурс работы. Управляет работой аппарата внутренний микрокомпьютер, который принимает команды через кабель связи. Он также обрабатывает данные с датчика глубины, компаса и осуществляет коммуникацию (в модулированном цифровом коде) через кабель с блоком управления. Вся информация с датчиков ГНОМа выводится на экран монитора оператора в режиме “телетекст” (наложение алфавитно-цифровых данных на видеокартинку), включая многоуровневые меню режимов работы, настройки и калибровки. Реализованный в ГНОМе двунаправленный канал передачи цифровых данных, а также наличие АЦП и цифровых интерфейсов позволяет дополнять ГНОМ датчиками и рядом таких устройств как альтиметр, транспондер для акустической навигации и др. В блоке управления имеется интерфейс с РС (через COM порт) .
Типы аппаратов семейства ГНОМ.
Базовая модель ГНОМ Стандарт – это 4-х моторный аппарат с 2-мя горизонтальными и с 2-мя вертикальными движителями, расположенными вдоль корпуса, что позволяет ему наклоняться вверх- вниз в режиме реверса вертикальных моторов.
Максимальная рабочая глубина - до 120м, длина кабеля до 250м, напряжение на кабеле 180В. Вокруг камеры и с боков размещены светодиодные осветители (всего 35шт.), яркость которых отдельно и плавно регулируются от 0 до максимума с джойстика, что весьма необходимо для съемок под водой при разной освещенности и мутности.
Вместо заднего вертикального движителя может быть установлена 2-ая видеокамера с осветителями для вертикального или бокового обзора. Камеры переключаются с пульта оператора.. Таким же образом предусмотрено подключение гидролокатора кругового обзора.
Максимальная скорость – 2 узла, вес 3кг. В качестве пульта управления использован игровой джойстик Sony Play station. Вся система размещена в 2-х ударопрочных и брызгозащищенных пластмассовых чемоданах Pelican размерами чуть более “дипломата”, притом в чемодане с блоком питания и управления есть отсек для 12В/12АЧ батареи питания с устройством подзаряда, а также плоский ЖК-видеомонитор. Таким образом, система полностью автономна и может транспортироваться одним человеком (общий вес 18кг) .
Технические данные.
1. Число движителей – 4.
2. Скорость: - горизонтального движения - до 1м/с.
- вертикального движения - до 0,5м/с.
3. Рабочая глубина – 100м, предельно допустимая – 120м.
4. Длина кабеля- до 200 метров.
5. Тип кабеля – радиочастотный РК50, специально упрочненный кевларом в полиэтиленовой оболочке, плавучесть кабеля – отрицательная.
6. Диаметр кабеля – 3.5 мм.
7. Усилие на разрыв – 50кг, функциональные повреждения наступают при усилии больше 25кг.
8. Осветители – 35 светодиодов белого свечения. Плавная регулировка яркости переднего и боковых осветителей.
9. Видеокамера – цветная PAL CCD, 0.5 лк, 450твл.
10. Блок питания и управления.
-питание – сеть 220В
-от встроенного аккумулятора 7-12АЧ, напряжение батареи индицируется на экране.
11. Влажность окружающей среды – до 100%.
12. Диапазон рабочих температур - -5 …+ 45гр. С.
13. Конструктивное исполнение – переносное, в чемоданах Pelican.
14. Вес аппарата ГНОМ 3кг, полной системы – 18кг.
Размеры аппарата ГНОМ 320х150х120мм.
15. Оснащен датчиком глубины (точность 10-20см) и компасом c выводом информации на видеомонитор в режиме “Телетекст”. Есть режим автоматической стабилизации глубины “автоглубина”.
16. ГНОМ имеет небольшую положительную плавучесть за счет пенопластового поплавка и возможность ее изменения оператором вручную путем закладывания свинцовых грузиков в полозья аппарата.
Максимальная тяга достигается в ROV СуперГНОМ - модели с 4-мя горизонтальными движителями и одним вертикальным.
При этом такой вариант собран из тех же конструктивных частей (кроме плавучести), как и в базовой модели. Количество боковых осветителей в этой модели увеличено в 2 раза. Эта модель в настоящее время дорабатывается до глубин 200-250м и соответствующей длиной кабеля.
Для широкого применения создан подводный аппарат ГНОМ Микро, который представляет собой 3-х моторный аппарат весом менее 2кг, с двумя горизонтальными и одним вертикальным движителем.
Цветная видеокамера помещена в полусферу из оргстекла, по одножильному коаксиалу передается питание 48В, видеосигнал и команды управления. Рабочая глубина до 60м. Максимальная скорость – 1.5узла. Реализован вариант с наклоном камеры вверх-вниз, что обеспечивает угол обзора по вертикали 180гр.
Работа с аппаратом.
Подготовка к работе системы занимает несколько минут – подключение питания, кабелей связи, монитора, размотка кабеля. Аппарат опускают в воду за кабель и далее направляют на объект: либо погружая сразу, либо сначала двигая по поверхности воды, а затем погружая при помощи движителей. Оператор управляет им с пульта Sony, имеющего два джойстика и 12 клавиш. Правый джойстик управляет горизонтальным движением – ход вперед-назад, повороты вправо-влево, левый джойстик – вертикальным перемещением вниз - вверх и наклоном аппарата вниз - вверх. Скорости плавно регулируются от 0 до максимума, при этом вектор движения и относительные значения скоростей индицируются на экране в режиме “телетекст”. Имеется режим “малого хода” для тщательного осмотра объекта. ГНОМ может автоматически поддерживать заданную глубину. Достигнув нужной глубины, оператор нажимает кнопку стабилизации аппарата на этой глубине. Есть режим фиксации вертикальной скорости, что удобно при длительном погружении/всплытии аппарата.
Освещение включается и регулируется с пульта, причем раздельно регулируется передний осветитель и два боковых, что удобно при засветке от взвеси и плавающих частиц.
Проведенные работы.
Теперь о реальных работах, проведенных с помощью ГНОМов. Уже первые аппараты были использованы для изучения поведения млекопитающих в московском дельфинарии учеными ИОРАН. “Позировали” ГНОМам несколько дельфинов и белуха по кличке Егор. Они встретили ГНОМов весьма миролюбиво и потом даже потеряли к нему интерес. При этом крайне аккуратно отнеслись к кабелю и ни разу не задели его. В 2000г. аппараты ГНОМ были испытаны в экспедиции МЧС по осмотру затонувшей баржи в Балтийском море
В 2002г. эти аппараты были применены в экспедиции МЧС на Байкале по поиску и осмотру затонувших судов и провалившихся под лед автомобилей на зимней переправе к острову Ольхон и показали высокую эффективность при проведении поисково-осмотровых работ с борта судна, в т.ч. и с моторной лодки. Искали затонувшие объекты с помощью гидролокатора бокового обзора, координаты фиксировались с помощью судового GPSа, а потом судно выходило по установленным координатам в точку и далее опускались ГНОМы для допоиска и осмотра.
Осмотр изнутри кабины затонувшего автомобиля на глубине 38м.
Тогда же впервые оператор смог провести ГНОМ внутрь кабины затонувшего на глубине 38м автомобиля через приоткрытое боковое стекло и осмотреть ее. Оператор управлял аппаратом с судна, стоящего на якоре на расстоянии 50-60м от объекта. Ориентация осуществлялась по компасу ГНОМа. Кабель, имеющий отрицательную плавучесть, аппарат расстилал на дне, при нахождении объекта оператор проводил аппарат на 7-10 м дальше от него для того, чтобы при осмотре тянуть за собой только этот кусок кабеля. В таком случае остальная часть не сдерживает движения аппарата. Яркость осветителей была вполне достаточной для подробного осмотра. Весьма пригодилась и функция наклона аппарата. При этом в отличии от простого наклона камеры, используемого в ряде аппаратов, например, в Videoray, где свет направлен только вперед и не следует за камерой, наклон самого аппарата направляет туда же и свет. В этой экспедиции ГНОМы в большинстве случаев заменили водолазов, с которых была снята задача поиска и осмотра, а осталась только работа по подъему объекта в случае установления потенциальной опасности. При этом сначала объект находился и осматривался ГНОМом, а затем по его кабелю водолаз быстро спускался точно на цель, не тратя драгоценное время на поиски.
В 2003-2004 г. ГНОМы в следующих экспедиции МЧС обследовали несколько десятков затонувших автомобилей и судов.
ГНОМы все шире входят в практику океанологических и экологических исследований, в ИОРАН они используются гидробиологами для изучения донной флоры и фауны, проводятся подводные наблюдения за белухам, морские геологи их применяют для изучения дна, дополняя данные гидролокационной съемки. На Байкале с их помощью теперь уже регулярно проводятся экологические работы по очистке дна от провалившихся зимой под лед автомобилей и затонувших судов.
Специалисты Минатома их используют для осмотра состояния охлаждающих резервуаров АЭС. Аппараты имеют успех и у дайверов.
В каких направлениях мы планируем развитие ГНОМов?
Это два направления. Первое – профессиональные применения: уже реализованный вариант ГНОМа с двумя видеокамерами, повышение мощности движителей, увеличение освещенности, оснащение сонаром, создание недорогой системы акустической навигации, доработка аппарата для глубин 200м и более. Все это – без ощутимого увеличения размеров.
Второе направление – это создание упрощенных дешевых аппаратов с еще меньшими размерами, более тонким кабелем для исследователей подводного мира, любителей подводных съемок, а также владельцев катеров и яхт.
Заканчивается разработка системы дистанционной работы с ГНОМом через локальную компьютерную сеть, в т.ч. и Интернет, что позволит размещать аппараты на морском дне и вести постоянный долговременный мониторинг, при этом имея возможность дистанционно перемещать аппарат. В одном из предполагаемых применений он получает питание и передает видео/данные/управление через проложенный на дне кабель (международные проекты NEPTUN и MARS). В другом варианте на поверхности воды должен быть заякоренный буй с подзаряжаемыми батареями (например, солнечными), а трансляция видео и управление - через спутниковый канал. От буя к дну идет кабель, заканчивающийся гаражом с якорем. ГНОМ доставляется в таком гараже на дно и далее по командам оператора выходит из него.
