Подводные роботы. От торпеды к робо-рыбе

И связь тоже почти исчезает

Вторая фундаментальная особенность подводного мира — трудность связи. Обычные радиосистемы, мобильные сети и Wi-Fi под водой практически неприменимы на значительных расстояниях. Поэтому для дальней связи используют звук. Акустический модем может передавать команды и данные через толщу воды. Но возможности такого канала несопоставимы с привычными наземными сетями. Скорость передачи невелика, задержки велики, качество связи зависит от температуры, солёности, глубины, рельефа дна и множества других факторов. Передать несколько команд возможно. Передавать непрерывный поток видео высокого разрешения уже гораздо сложнее.

Поэтому настоящий автономный робот должен уметь работать без постоянного разговора с человеком. Это принципиальное отличие от многих наземных беспилотников, которые формально могут называться автономными, но фактически почти непрерывно остаются частью большой радиосети. Под водой сети может не быть. Робот остаётся один.

Когда аппарат должен думать сам

Представим простую миссию. AUV должен пройти вдоль подводного кабеля и проверить его состояние. На карте указан маршрут. Компьютер знает начальные координаты. Сонар обнаруживает кабель. Но затем ситуация меняется. Часть кабеля скрылась под осадком. Возникло сильное течение. Перед аппаратом появилась скала. Один из датчиков начал выдавать сомнительные значения. Запас энергии оказался меньше расчётного. ROV в такой ситуации спасает оператор. AUV должен решить проблему самостоятельно. Он может изменить маршрут. Снизить скорость. Перейти на другой датчик. Прервать миссию. Начать всплытие. Или попытаться продолжить обследование.

Именно здесь понятие «робот» становится намного важнее понятия «подводный аппарат». Автономность означает не просто отсутствие кабеля. Она означает способность машины оценивать ситуацию и выбирать действия. По мере развития вычислительной техники это различие становится всё более заметным. Ранний AUV в основном выполнял заранее записанную программу: пройти до точки A, затем до точки B, повернуть, пройти следующую линию и всплыть. Современный аппарат постепенно превращается в систему, способную анализировать данные непосредственно во время миссии.

Например, робот может обнаружить необычный объект на сонарном изображении и самостоятельно изменить маршрут, чтобы рассмотреть его подробнее. В перспективе такие системы должны научиться действовать почти так же, как опытный исследователь: не только выполнять план, но и понимать, когда обнаружено нечто, ради чего стоит от этого плана отклониться.

Четыре семейства подводных машин

К началу XXI века сформировалось несколько основных типов подводных аппаратов.

Ни один тип не является абсолютной заменой остальных. ROV превосходен для ремонта оборудования. AUV удобен для картографирования. Глайдер незаменим для длительного мониторинга больших районов океана. Пилотируемый аппарат остаётся важным инструментом сложных исследований, где непосредственное восприятие человеком имеет особую ценность. Но одновременно всё заметнее становится ещё одно направление. Оно пока не укладывается полностью ни в одну из традиционных категорий.

Почему торпеда — не идеальная рыба

Большинство AUV создавались по логике подводной лодки или торпеды. Прочный корпус. Электрический двигатель. Гребной винт. Рули. Аккумулятор. Эта архитектура прекрасно работает и ещё долго будет использоваться. Но если посмотреть на живой океан, возникает очевидный вопрос. Почему почти ни одно быстро плавающее морское животное не использует вращающийся винт? Рыба изгибает тело. Тунец работает хвостом. Скат создаёт волну огромными грудными плавниками. Угорь заставляет изгиб проходить вдоль всего тела. Медуза периодически изменяет форму своего купола. Природа решает задачу движения в воде совсем иначе. Это не означает, что природа автоматически создаёт лучший механизм для любой инженерной задачи. Гребной винт чрезвычайно эффективен и технологичен.

Но живая система обладает качествами, которые особенно интересны для автономной робототехники. Она может быть тихой. Она способна резко менять направление. Гибкое тело лучше переносит столкновения. Плавники одновременно создают тягу и управляют движением. Нет открытого быстро вращающегося винта, на который могут намотаться водоросли, леска или сеть. Наконец, животное использует не один отдельный движитель, а взаимодействие всего тела с окружающей водой. Именно поэтому исследователи всё чаще обращаются к биомиметике— созданию технических систем, использующих принципы, найденные в живой природе.

Не копировать рыбу, а понять её

Слово «биомиметика» иногда создаёт неправильное впечатление. Кажется, будто инженер должен внимательно рассмотреть рыбу и изготовить её механическую копию. На самом деле задача гораздо интереснее. Роботу совершенно не обязательно иметь чешую, жабры или точно повторять скелет животного. Важно понять принцип. Почему определённая форма тела уменьшает сопротивление? Как изгиб хвоста создаёт тягу? Почему положение плавников обеспечивает устойчивость? Как рыба сохраняет глубину? Как она воспринимает движение воды? Какие функции выполняет плавательный пузырь? После этого биологический механизм можно реализовать совершенно другими техническими средствами.

Мышцу заменит электропривод. Нервную систему — микроконтроллер. Органы чувств — набор электронных датчиков. Хрящ — эластичный полимер. Но физический принцип взаимодействия с водой может остаться тем же. Так появляется не механическая копия животного, а новая инженерная машина.

Главный враг — собственный шум

Особенно привлекательна биомиметика для задач, где робот должен не просто находиться под водой, а слушать океан. Обычный электродвигатель создаёт вибрации. Редуктор создаёт вибрации. Насос создаёт вибрации. Гребной винт возбуждает воду и при определённых режимах может создавать кавитационный шум. Для многих инженерных задач это не критично. Но представим аппарат, задача которого — регистрировать слабые сигналы китообразных, наблюдать за поведением рыб или работать в составе чувствительной гидроакустической системы. Тогда робот начинает слышать прежде всего самого себя. Получается почти анекдотическая ситуация: мы отправляем машину слушать океан и снабжаем её набором механизмов, которые мешают ей слушать.

Отсюда возникает идея максимально тихого аппарата. Убрать редукторы. Уменьшить число насосов. Отказаться от постоянно работающих подруливающих винтов. Использовать плавные деформации гибкого корпуса и плавников. Но здесь инженеры сталкиваются с новой трудностью. Обычная рыба — не просто хорошо обтекаемый объект с хвостом. Это сложная динамическая система.

Плавательный пузырь как инженерная загадка

Особое место в этой системе занимает плавательный пузырь костистых рыб. На первый взгляд идея кажется почти идеальной для робота. Внутри корпуса имеется газовая полость. Изменяя её объём, можно изменять среднюю плотность аппарата и тем самым регулировать плавучесть. Не нужно постоянно тратить энергию на вертикальную тягу. Робот словно превращается в маленький подводный аэростат. Но именно здесь обнаруживается физический парадокс. С увеличением глубины давление растёт. Газ сжимается. Объём пузыря уменьшается. Вытесняется меньше воды. Сила Архимеда уменьшается. Аппарат начинает тонуть ещё сильнее. При подъёме происходит обратное. Давление падает.

Газ расширяется. Плавучесть увеличивается. Аппарат начинает всплывать ещё быстрее. Простая газовая полость оказывается не стабилизатором, а потенциальным источником неустойчивости. Живая рыба имеет сложные физиологические механизмы, позволяющие управлять количеством газа. Механический робот такими возможностями от природы не обладает. Поэтому долгое время инженерный подход был очевиден: если естественная система нестабильна, нужно добавить насос, клапан, балластную камеру и электронный регулятор. То есть снова компенсировать физику активным устройством. Но существует и другой путь. Не бороться с изменением объёма пузыря. Использовать его.

Когда недостаток становится частью управления

Представим, что изменение объёма газовой полости не только меняет плавучесть, но и немного изменяет положение аппарата. При погружении робот наклоняет нос вверх. При подъёме — вниз. Если аппарат при этом движется вперёд, изменение угла атаки создаёт гидродинамическую силу. При слишком большом погружении эта сила направляет машину вверх. При избыточном подъёме — вниз. Получается необычная система: глубина изменяет давление; давление изменяет объём; объём изменяет дифферент; дифферент изменяет угол атаки; набегающий поток создаёт корректирующую силу.То, что первоначально выглядело источником неустойчивости, при правильной конструкции может стать частью обратной связи.

Для классического инженера подобная идея выглядит почти подозрительно. В системе нет мощного исполнительного механизма, который непрерывно измеряет ошибку и силой возвращает аппарат на заданную глубину. Часть регулирования выполняет сама механика аппарата во взаимодействии с водой. Именно эта идея станет центральной темой следующих глав.

От машины к искусственному организму

История подводной робототехники показывает любопытную последовательность. Сначала человек погружался под воду сам. Затем оставил своё тело на поверхности, но сохранил кабель управления. Потом разрезал кабель и передал машине простую программу. Затем научил её самостоятельно ориентироваться. Следующим шагом стало использование плавучести вместо непрерывной работы двигателя. Теперь начинается новый этап: сама конструкция робота постепенно становится частью системы управления. Гибкое тело может менять гидродинамику. Плавник становится одновременно движителем и рулём. Эластичная полость реагирует на давление. Материал конструкции способен накапливать и возвращать энергию деформации.

Датчики перестают быть отдельными приборами и могут распределяться по всей поверхности корпуса. Программное управление всё теснее соединяется с механическими свойствами машины. Граница между корпусом, движителем, датчиком и регулятором начинает размываться. Это уже совсем другая инженерная философия. Классическая подводная машина старается заставить воду подчиниться работе механизмов. Биомиметическая машина пытается сделать свойства воды частью собственного устройства. И именно поэтому путь от ROV и торпедообразного AUV к робо-рыбе — не просто изменение внешнего вида. Это переход от одной архитектуры к другой. От аппарата, который существует вопреки среде, к аппарату, который работает вместе со средой.

В следующей главе мы разберём физику этого взаимодействия: плавучесть, давление, центр масс, центр плавучести, гидродинамическое сопротивление, крен и дифферент. Без этих понятий невозможно понять, почему подводный робот сохраняет равновесие — или внезапно его теряет.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.