Необитаемые подводные аппараты (НПА) составляют большую самостоятельную группу подводно-технических средств для исследования океана и выполнения сравнительно несложных работ в его глубинах.
Как показывает опыт исследования НПА, ряд научных задач, например подавляющее большинство гидрофизических и геофизических исследований у дна, практически можно качественно решить лишь с их помощью.
НПА получили также признание как мобильное и достаточно эффективное средство оказания помощи обитаемым подводным аппаратам, потерпевшим аварию. Очевидно, весьма эффективным будет применение НПА и для выполнения ряда подводно-технических работ на больших глубинах.
Существующие и создаваемые образцы различаются прежде всего по глубине погружения, которая существенно определяет их конструктивное выполнение, степень сложности системы управления, а также функциональные возможности. В зависимости от глубины погружения можно выделить три группы аппаратов: малых глубин (до 600 м), средних глубин (до 2000 м) и больших глубин (свыше 2000 м).
Наибольшее число НПА принадлежит к первой группе. Это —необитаемые аппараты КЭРВ-I и КЭРВ-П (США), Те-ленот-I (Франция), «Скат» (СССР), БАТФИШ (США), «Глория» (Англия), «Пингвин» (ФРГ), УАРС (США), РУФАС (США) и т. д. Все они представляют собой простые системы, способные выполнять столь же простые, ограниченные функции и являются аппаратами первого поколения.
Ко второй группе аппаратов средних глубин относятся «Теленот-П» (Франция), «Эрик-I» (Франция), «Аида» (США), «Тройка» (Франция), «Манта-1,5» (СССР), «Краб» (СССР). С ростом глубины возникают прежде всего проблемы информационного обмена между аппаратом и обеспечивающим судном. Эта меньшая по составу группа включает в себя аппараты более совершенные, с большими функциональными возможностями, среди которых находим системы второго поколения.
Третья группа аппаратов больших глубин, или глубоководных, — самая малочисленная. В настоящее время созданы НПА, эффективно действующие на глубинах до 6000 м. К ним относятся аппараты РУВС, МПЛ, СПУРВ, «Си дроун», «Си проуб», НРЛ (США), «Эрик-Н» (Франция).
НПА могут быть разделены также по функциональному признаку на автономные и привязные. Привязные в свою очередь подразделяются на буксируемые и зондирующие.
Автономные необитаемые аппараты предназначены для выполнения исследовательских задач по заранее определенной программе. Их в настоящее время относят к роботам первого поколения. Такие аппараты могут работать либо в толще воды, либо непосредственно у дна. Необитаемые аппараты могут работать как в строго зондирующем режиме по вертикали, так и в режиме пространственного зондирования, когда спуск и подъем происходят, например, по спирали.
У дна они работают, перемещаясь по заранее заданной траектории либо по прямой, либо параллельными галсами, либо по раскручивающейся спирали. В ходе движения осуществляются, также по программе, измерение и запись параметров среды, фотографирование дна. В отдельных случаях можно запрограммировать отбор проб воды либо покладку на грунт на достаточно длительное время, в период которого также происходит измерение и запись параметров среды.
Обмен информацией между автономными аппаратами и обеспечивающим судном осуществляется, как правило, по гидроакустическому каналу в ограниченном объеме.
Большую группу составляют привязные аппараты. Высокой эффективностью отличаются буксируемые системы, с помощью которых удается выполнять длительные измерения параметров среды на заданных горизонтах, картографирование дна и поиск затонувших объектов. Такие системы обычно буксируются обеспечивающим судном на прочном тросе-кабеле. Информационный обмен между аппаратом и обеспечивающим судном осуществляется по тросу-кабелю, от характеристик которого, а также от глубины погружения зависит объем передаваемой информации.
Привязные зондирующие НПА обычно спускают с неподвижного обеспечивающего судна. Эффективность их зависит от способности судна длительно сохранять неизменным свое положение. Обычно привязные зондирующие аппараты оборудованы двигателями, которые позволяют им маневрировать в толще воды над дном и объектом работ. Информационный обмен между аппаратом и обеспечивающим судном осуществляется также по кабельной линии, которая определяет маневренность аппарата.
В последнее время появилась идея создания НПА комбинированного типа. Зондирующий привязной аппарат оборудуют устройством изменения положения точки крепления к аппарату кабельной линии. Это позволяет использовать такой аппарат как в режиме буксировки, так и при неподвижно стоящем обеспечивающем судне. Несмотря на функциональные различия НПА, в их структуре обнаруживается весьма много общего, что позволяет дать обобщенную характеристику.
НПА содержит следующие узлы и системы:
— прочный корпус;
— движительную систему;
— систему управления;
— систему связи и информации;
— систему наблюдения;
— систему навигации;
— энергетическую систему;
— исследовательскую аппаратуру.
Прочный корпус НПА служит для придания ему некоторой положительной плавучести. В корпусе размещены системы управления, наблюдения, связи и навигации. Обычно аппарат имеет один или несколько прочных корпусов цилиндрической или сферической формы.
Для придания аппарату нулевой или небольшой положительной плавучести на глубинах 1000—1500 м дополнительно используют плавучие блоки из синтетических материалов, удельный вес которых составляет 0,5—0,7 т/м3. Они выдерживают высокое внешнее гидростатическое давление.
Движительная система аппаратов совершенствовалась по мере их развития. Первые образцы имели от двух до трех движителей, которые обеспечивали их движение в главных направлениях. По мере усложнения операций, выполняемых аппаратами, возрастали требования к их управляемости. Появилась необходимость применения развитой движительной системы, способной контролировать и изменять все шесть обобщенных координат аппарата в пространстве.
Движительная система должна удерживать аппарат на заданном горизонте или в заданном режиме движения. Энергетически оказывается часто более выгодным статическое регулирование нулевой плавучести аппарата, при котором дальнейшие затраты на динамическое управление оказываются значительно меньше. Такое регулирование осуществляется с помощью специальной уравнительной системы, имеющейся, например, на аппарате ТРОВ (Канада). Энергия, необходимая для движения, передается на буксируемый аппарат по тросу-кабелю. Маневрирование буксируемого аппарата в пространстве осуществляется либо за счет изменения скорости судна и изменения длины троса-кабеля, либо за счет управляемых гидродинамических плоскостей. Следует отметить, что последние оказываются эффективными только при скоростях буксировки свыше 3 уз. При малых скоростях буксировки достаточно эффективным средством измерения траектории могут служить также про-пульсивные движители, которые совместно с системой стабилизации способны поддерживать необходимые параметры движения. Очевидно, энергетически такое решение невыгодно, хотя и довольно эффективно.
Система управления предназначена для обеспечения заданных параметров движения или положения НПА в пространстве. При этом перед всеми необитаемыми аппаратами стоит задача управления выдерживанием заданной траектории движения. Для привязных зондирующих аппаратов наряду с этой задачей существует задача длительного сохранения неизменным положения над объектом работ — задача динамического позиционирования. В режиме движения по заданной траектории обычно контролируются следующие параметры: глубина или отстояние от грунта, курс, крен и дифферент. Значения всех этих параметров фиксируются соответствующими датчиками: глубины, эхолотом, угловых скоростей гироскопической системы аппарата. Линейные координаты положения аппарата в инерциальной системе, правда, с небольшой точностью, могут быть получены, например, путем применения доплеровской системы.
По мере развития НПА совершенствовались принципы управления ими. В аппаратах первого поколения параметры движения задавались раздельными органами управления. По мере увеличения числа движителей и, следовательно, усложнения траектории движения аппарата возникла необходимость в применении комплексных органов управления. Так появились комплексные мнемонические рукоятки, с помощью которых управление осуществляется в коде движения руки оператора. Позднее были созданы системы супервизорного управления. В простейшем варианте такой системы оператор задает координаты точки района, в которую необходимо вывести аппарат, на экране телевизионного или гидролокационного дисплея. Специальный вычислительный блок принимает это задание и формирует необходимые сигналы управления на каждый из движителей аппарата. Оператор определяет лишь точку, в которую следует выйти аппарату, и задает ее координаты.
Система связи и информации фактически определяет выбор принципов управления НПА. Аппараты малых глубин обычно связаны с обеспечивающим судном с помощью многожильного кабеля. В ряде случаев для разных видов команд предназначены отдельные жилы (линии) кабеля. Однако такое использование канала связи нерационально. Целесообразнее его временное либо частотно-временное уплотнение. Обычно на аппарат передается информация управления, а на обеспечивающее судно — информация о параметрах состояния аппарата, а также видеоинформация от телевизионной и гидроакустической системы. На аппараты малых и средних глубин видеоинформация дтередается обычно по отдельным коаксиальным линиям. С увеличением рабочей глубины аппарата и длины кабеля такая схема передачи информации становится невозможной. Многожильные кабели заменяют, начиная с глубины 2000 м, на трос-кабель, состоящий из одной коаксиальной пары. Обмен информацией между автономными аппаратами и обеспечивающим судном происходит по гидроакустическому каналу связи. Вследствие нестабильности его параметров, а также частотной ограниченности возможен обмен на уровне простейших команд.
Возможности кабельного канала связи ограничены, что существенно сказывается на эффективности НПА. Кроме того, информацию, поступающую на обеспечивающее судно, оператор воспринимает чаще всего с трудом: данные о глубине, курсе, крене и дифференте аппарата выводятся на отдельные приборы, что затрудняет оценку его положения в пространстве. Очевидно, необходимо интегральное представление информации. Подобная система — КОНАЛОГ— была создана в США и использована для управления подводной лодкой. Информация о параметрах движения представляется на дисплее в виде «бегущей дорожки», соответствующие наклоны которой определяют крен и дифферент. Испытания системы показали ее высокую эффективность.
Очень интересно решение специалистов США, которые для создания у оператора «эффекта присутствия» предложили использовать специальный шлем со встроенным в него миниатюрным видеоконтрольным устройством. Шлем оператора кинематически связан с креслом. Отклонения головы оператора в пространстве фиксировались датчиками положения, по сигналам которых синхронно отклонялся подводный аппарат. Такой способ управления движением телеуправляемого аппарата обеспечивает быструю адаптацию оператора к системе, высокое быстродействие и эффективность.
Очевидно, что дальнейшее совершенствование принципов представления информации будет развиваться по пути все большего использования разнообразных рецепторов человека при обязательном интегральном способе представления информации.
Система наблюдения НПА обычно содержит две подсистемы: телевизионную и гидролокационную. В качестве первых применяют преимущественно малогабаритные с передающими трубками типа видикон. Качество изображения, наблюдаемого оператором, зависит прежде всего от прозрачности воды, характеристик светильников, дальности наблюдения и параметров передающего устройства. Чрезвычайно важную роль играют длина и частотные характеристики кабельного канала связи. Высокого качества телевизионного изображения на НПА малых глубин добиться несложно. С ростом длины кабеля существенно ухудшаются его свойства, растет затухание и увеличиваются искажения телевизионного сигнала. На глубоководные аппараты по одной коаксиальной паре приходится одновременно передавать весь массив информации и электроэнергии. Все это, безусловно, заметно снижает качество телевизионного изображения и, как следствие, затрудняет работу аппарата.
Дополнительную информацию об окружающей обстановке получают с помощью гидролокатора бокового обзора. При этом можно получить картину дна с достаточно больших расстояний (в несколько сот метров) в наиболее общем виде, без детализации и с малым разрешением. Однако эта предварительная информация чрезвычайно важна. Она позволяет, во-первых, ориентироваться в подводной обстановке до тех пор, пока не будет установлен визуальный контакт с помощью телевизионной системы, и, во-вторых, дает общее представление об исследуемом районе, хорошо дополняющее информацию о локальном пространстве, наблюдаемом телевизионной системой.
Навигационная система НПА функционирует на основе данных гидроакустических маяков. Различают системы с длинной и короткой базой.
Система с длинной базой предусматривает установку нескольких донных маяков-ответчиков с расстоянием между ними в несколько миль, а также одного гидрофона на обеспечивающем судне и одного маяка-ответчика на подводном аппарате.
В систему с короткой базой на дне входят один маяк-ответчик и два гидрофона на судне, на корме и носу. Кроме того, на подводном аппарате устанавливают маяк-ответчик. Донные маяки-ответчики и маяк-ответчик НПА дают ответ по запросу судна. Направление на каждый маяк и на подводный аппарат определяют по разности времени поступления сигналов на судовые гидрофоны. Наклонную дальность до маяков определяют по времени прохождения ответного сигнала. Для расчета горизонтальной дальности измеряют глубину. Все вычисления обычно ведут на ЭВМ.
Энергетические системы НПА различаются по конструкции в зависимости от их типов. Так, на автономных необитаемых аппаратах обычно имеются бортовые аккумуляторные батареи.
Привязные аппараты малых глубин получают энергию, как правило, по тросу-кабелю. При наличии троса-кабеля с одной коаксиальной парой передача электроэнергии на НПА вырастает в техническую проблему.
В качестве одного из вариантов энергообеспечения глубоководных необитаемых аппаратов энергией может быть использована система с промежуточным энергоякорем, энергозаглубителем (для буксируемых) или носителем более крупного водоизмещения,, чем НПА. В этом случае НПА имеет на борту необходимое количество аппаратуры управления и наблюдения, а энергозапас и часть вспомогательной аппаратуры размещаются на энергоякоре, заглубителе или промежуточном носителе. Энергоноситель с обеспечивающим судном связан тросом-кабелем. С подводным аппаратом он может быть связан многожильным кабелем, по которому передается электроэнергия. В процессе работы аккумуляторная батарея подзаряжается электроэнергией, которая подается по однокоаксиальному тросу-кабелю с обеспечивающего судна.
Энергоякорь может также служить одновременно своеобразным носителем-ангаром для НПА, в котором он доставляется до дна и поднимается на поверхность. У дна НПА выпускается из ангара-носителя для выполнения работ. Подобная схема реализована на аппарате «Эрик-П» (Франция).
Исследовательская аппаратура НПА обычно включает измерительную аппаратуру, манипуляторы и различные пробоотборники.
Специальные датчики регистрируют направление и скорость течения, температуру, давление, электропроводность, скорость звука, реже — концентрацию растворенного кислорода и другие параметры. Магнитометры измеряют направленность магнитного поля Земли. На НПА часто устанавливают локаторы бокового обзора и профилографы.
Манипуляторы служат для выполнения работ на дне. Конструкция и способы управления манипуляторами столь же разнообразны, как и сами НПА. В настоящее время разработаны манипуляторы, предназначенные для выполнения достаточно сложных и трудоемких операций. Они имеют до семи степеней свободы, поэтому системы управления ими должны быть самыми современными. Кинематическая структура манипулятора зависит в первую очередь от поставленных перед ним задач. Как правило, для выполнения несложных операций предназначены простейшие конструкции с минимально необходимым числом степеней свободы. Примером могут служить манипуляторы необитаемых аппаратов КЭРВ, которые служат только для захвата на дне предметов определенной формы.
В качестве пробоотборников на НПА используются миниатюрные грунтовые трубки и дночерпатели. Иногда захват манипулятора изготовляют в виде дночерпателя. Тогда пробы грунта отбирает сам манипулятор. В остальных случаях манипулятор используют в качестве вспомогательного транспортного средства. Для взятия проб воды применяют специальные батометры.
Как показывает анализ структуры НГ1А, это довольно сложные комплексные системы, далеко не совершенные.
Существуют и проблемы, присущие только одной группе аппаратов. Одной из главных является проблема повышения эффективности работы привязных зондирующих аппаратов, являющихся основным средством активного выполнения маневров на дне с помощью манипуляторов, которая остается еще весьма низкой. Причин этому несколько. Выполнение операций затруднено прежде всего из-за подвижности НГ1А над объектом. По-кладка на грунт аппарата — по-видимому, наиболее простой способ стабилизации положения. Однако при этом интенсивно взмучиваются придонные слои воды, что ухудшает видимость и затрудняет контроль за действием манипулятора.
Эффективность функционирования НПА в непосредственной близости от объекта зависит от его маневренности и точности стабилизации в любой точке пространства. В результате маневрирования рабочие органы манипулятора выставляются в позицию, удобную для выполнения операций, а стабилизация аппарата позволяет сохранить неизменным принятое положение.
Поэтому центральным в этой проблеме становится взаимодействие манипулятора с подводным аппаратом. Следовательно, задача создания работоспособного образца манипулятора должна решаться комплексно, с учетом назначения аппарата и взаимодействия всех его систем.
Анализ экспериментально полученных материалов показывает, что локальное маневрирование НПА и их зависание над объектом работ обычно выполняются с чрезвычайно малой точностью и требуют значительного времени.
Основная причина этого состоит в несовершенстве способов управления. Управление перемещением аппарата осуществляется путем изменения скорости движения и, таким образом, полностью зависит от искусства оператора.
Надежную стабилизацию самого аппарата как по угловым, так и по линейным координатам может осуществить замкнутая система управления с позиционными обратными связями. Анализ процессов перемещения манипулятора и аппарата как многомерных управляемых объектов позволяет сделать вывод о необходимости и достаточности контролируемого изменения только одного параметра — расстояния объекта до цели. Этого можно достичь, использовав один комплексный управляющий орган, действующий по принципу копирования движений, либо систему с управлением по вектору скорости или моменту.
Такая мнемоническая многостепенная рукоятка управления задает команды на перемещения аппарата по всем шести обобщенным координатам. Для удержания его над объектом работ необходимо непрерывное поступление информации об изменении всех этих шести координат. Наиболее сложно выполнить последнее требование. Данные об изменении угловых координат легко получить с помощью гироскопической системы, установленной на аппарате, сложнее определить значения линейных координат аппарата относительно объекта работ, находящегося на грунте. Одно из возможных технических решений этой задачи предложено Институтом океанологии АН СССР им. П. П. Ширшова.
Подобно системе динамического позиционирования исследовательского судна «Тритон» (Франция), координатно-изме-рительное устройство представляет собой систему, которая состоит из легкого груза, связанного гибким тросом с барабаном. Последний укреплен в нижней части аппарата и имеет привод, который в одном режиме постоянно натягивает трос, не поднимая груз со дна, а в другом — по команде оператора полностью выбирает груз. Углы наклона троса измеряются индукционными датчиками. Длина выпущенного с барабана троса определяется по числу оборотов барабана. Такое устройство позволяет получить достаточно точную информацию о всех трех линейных координатах аппарата (±10 мм) относительно точки на грунте, где лежит груз.
Далее информация о всех шести обобщенных координатах вводится в систему управления движением аппарата. Таким способом обеспечивается динамическое позиционирование НПА над объектом работ.
В процессе работы манипулятора в результате его взаимодействия с объектом на НПА действуют возмущения. Они неизбежно приводят к возмущенным движениям НПА, которые затрудняют проведение операций. Об этих и управляемых движениях аппарата оператор объективно может судить лишь по динамике телевизионного изображения. Но этого недостаточно как для управления действиями манипулятора, так и для точного управления локальным маневрированием аппарата над объектом. Очевидно, что необходимо существенно увеличить объем осведомительной информации, которая должна поступать к оператору в удобной для восприятия и анализа форме. Этого можно достичь путем максимального вовлечения нерво-моторного аппарата человека-оператора в процесс управления подводным аппаратом и манипулятором, а также активного динамического отражения на пульте управления данных, характеризующих их состояние. Только при подобном информационном обеспечении у оператора возникает «эффект присутствия», который чрезвычайно необходим для эффективности действий при управлении.
Система управления аппаратом в этом случае становится информационно-управляющей. Почти автоматически будет восприниматься информация о движении и маневрах подводного аппарата, а также о малейших изменениях угловой скорости. Эти данные дополняются зрительной информацией, представляемой на экране. Изменение шума работающих движителей также дает некоторое представление об изменении скорости движения аппарата.
Управляющий сигнал оператор формирует на основе обработки получаемой информации. В выше рассмотренном случае осмысливание информации и ее поиск практически отсутствуют. Управление аппаратом может быть при этом сосредоточено на одной командной рукоятке, что приводит к определенному упрощению процесса выдачи команд. В этом случае процесс переработки оператором информации будет состоять из этапов обнаружения (определение положения аппарата анализаторами зрительного и вестибулярного аппаратов), принятия решений (синтез алгоритма действия в соответствии с общей стратегией) и самого решения (перемещение командной рукоятки в положение, соответствующее выбранному направлению и скорости движения аппарата).
Довольно часто в процессе дистанционного управления движущимся объектом оператору приходится решать задачи, требующие почти мгновенной предварительной переработки информации. Основной оценкой управляющего воздействия служит быстрота реакции оператора.
Рассмотрим способ дистанционного управления подводным аппаратом в режиме поиска. В этом случае реакцию оператора в первом приближении можно определить как простую сенсо-моторную реакцию, время задержки которой складывается из латентного периода и периода моторного действия. Период осмысливания информации и информационный поиск практически отсутствуют, что позволяет существенно упростить алгоритм его действий и определить конкретные меры увеличения их эффективности и надежности. Этого можно достичь, уменьшив объем предъявляемой оператору осведомительной информации, для чего нужно выбрать наиболее полно характеризующую состояние объекта управления.
В настоящее время оператор эту информацию получает по телевизионному каналу. Однако из-за отсутствия привычных для глаза человека ориентиров, а также оптических свойств водной среды пространственное положение аппарата воспринимается в несколько искаженном виде.
Разработанный в Институе океанологии АН СССР способ построения схемы управления НПА на основе использования его информационно-динамической модели (ИДМ) позволил значительно повысить эффективность процесса управления. Благодаря подвижному пульту управления, занимающему положение в пространстве, соответствующее положению аппарата, значительно увеличился объем информации, поступающей к оператору.
При использовании ИДМ в построении алгоритма управляющего воздействия активное участие принимают два анализатора оператора — зрительный и вестибулярный. Вестибулярный аппарат является основным анализатором, определяющим положение тела и его перемещение в окружающем пространстве. Как уже было сказано, время латентного периода реакции оператора в основном будет зависеть от эффективности участия указанных анализаторов в построении сигнала управления.
Повышения эффективности можно добиться, проводя специальные тренировочные циклы, повышающие устойчивость вестибулярного аппарата. Важнейшим моментом такой подготовки является формирование функциональных связей вестибулярного анализатора с другими, особенно со зрительным.
При выполнении программы работ НПА действует либо в динамическом, либо в статическом режиме. При небольших скоростях и ускорениях аппарата оператор не испытывает перегрузок, порождающих изменение чувствительности и привычной настройки его вестибулярного аппарата. Последний играет в основном роль корректора в формировании сигнала управления, а главным анализатором, участвующим в приеме и переработке осведомительной информации, является зрительный. Однако в отдельных случаях (при ухудшении видимости) вестибулярный анализатор может выступать в качестве доминирующего в осознании информации о пространственном положении аппарата.
Был проведен ряд экспериментов, в ходе которых исследовалось качество управления оператором НПА при участии в формировании сигнала управления одновременно двух анализаторов—зрительного и вестибулярного.
Использовался специальный стенд, представляющий собой шарнирно подвешенную платформу с расположенными на ней пультом контроля и креслом, снабженным рукоятками управления. Платформа имела две степени свобды: вращение вокруг осей х и z, соответствующих осям действия векторов угловых скоростей дифферента и крена аппарата. Вращение платформы обеспечивалось силовыми приводами, состоящими из насосной станции, силовых цилиндров и распределителей золотникового типа с электромагнитным регулятором.
Особое внимание было уделено контролю динамических режимов работы стенда. Требовалось обеспечить соответствие угловых скоростей платформы стенда угловым скоростям аппарата.
Эксперименты Института океанологии показали, что именно совместное участие зрительного и вестибулярного анализаторов значительно повышает реакцию нервной системы на сигнал раздражителя. Это объясняется тем, что изменение чувствительности зависит от силы побочного раздражителя. При низком уровне чувствительности побочные раздражители повышают ее, при высоком — несколько понижают.
Видимо, при исследовании каждого из анализаторов в отдельности интенсивность раздражителя (в данном случае угловая скорость крена платформы со) не обеспечивает определенного уровня активности анализаторов. Повышенную чувствительность при совместном действии двух анализаторов можно объяснить, если предположить, что один из анализаторов является по отношению к другому побочным раздражителем, который тем самым стимулирует рост его активности.
В процессе изучения совместного действия анализаторов были приняты тесты, исключающие из участия в управлении один из анализаторов. В частности, оператору предлагалось переключить свое внимание с телевизионного экрана на другие приборы пульта. В этом случае прием и переработка информации о пространственном положении аппарата целиком осуществлялись его вестибулярным аппаратом. При этом характер процесса не изменился. Независимо от структуры действия и механизмов психической регуляции каждого оператора в отдельности в конечном итоге происходит перенастройка их нервной системы, динамическая перегруппировка временных нервных связей.
После перенастройки системы регуляции время латентного периода для всех трех операторов не превышает 0,25 с.
Дистанционное управление манипулятором в коде раздельных команд или же в коде движений приводит к увеличению времени выполнения задач приблизительно на порядок по сравнению со временем, необходимым для непосредственного выполнения тех же задач оператором без помощи манипулятора.
Увеличение времени выполнения задачи является существенным недостатком автономных глубоководных аппаратов с ограниченным энергоресурсом и, следовательно, временем пребывания под водой. Кроме того, такое управление манипулятором при существующих возможностях кабельных каналов связи является весьма трудной операцией как технически, так и функционально.
Существенную помощь в подобной ситуации может оказать автоматизация процесса выполнения операций, не требующая тщательного и непрерывного визуального контроля со стороны оператора и повышающая эффективность использования манипуляторов в условиях плохой видимости или низкого качества телевизионного изображения.
Институтом океанологии АН СССР им. П. П. Ширшова были проведены экспериментальные исследования по созданию автоматического подводного манипулятора со сравнительно простым алгоритмом функционирования.
В задачу автоматической системы управления входил поиск геологических образцов произвольной формы в зоне действия манипулятора, определение их размеров, взятие захватывающим органом и перенесение в бункер. Управление манипулятором с пятью степенями свободы осуществлялось от бортового вычислительно-управляющего блока.
На захватывающем органе устанавливали пять тактильных датчиков: два датчика в нижней части схвата (они предназначались для ощупывания поверхности поиска), два— на боковых поверхностях схвата (они служили индикаторами касания манипулятором препятствий). Внутри схвата располагали пятый текстильный датчик, информировавший о наличии предмета внутри схвата.
Процесс, сбора геологических образцов разбивался на два этапа: поиск и обследование найденного предмета. Поиск выполнялся по программе методом сканирования схвата по обследуемой площади. Последний при этом тактильными датчиками касался поверхности, после- чего приподнимался над ней и перемещался на следующий шаг сканирования. При встрече с препятствием боковой тактильный датчик информировал об этом. Для того чтобы убедиться в подвижности предмета, выполнялось пробное движение схвата на один шаг. После установления факта подвижности препятствия схват нижними тактильными датчиками ощупывал предмет для определения его размеров. Затем схват, если размеры были меньше его раскрытия, захватывал предмет и переносил в бункер. Дальнейший поиск продолжался, начиная с того места, где был взят предмет.
Применение тактильных датчиков и использование инерционных звеньев в цепи управления приводами позволило добиться мягкости движений манипулятора, несмотря на его существенную мощность. Усилие касания манипулятором ощупываемой поверхности оказывается ничтожно малым.
Проведенный анализ существующих НПА с манипуляторами показал, что дальнейшее расширение их функциональных возможностей и повышение уровня автоматизации работы оператора при управлении ими возможно только в случае качественного изменения системы сбора и переработки информации об окружающей среде. Включение бортового управляющего вычислительного комплекса в систему НПА позволяет качественно изменить структуру подводного аппарата и прежде всего создать систему, в которой комплексное управление им осуществляется по замкнутому контуру, без непосредственного участия оператора. НПА становится подводным аппаратом-роботом.
В таком роботе должны быть предусмотрены многоуровневое построение, управляюще-вычислительный комплекс, блок памяти, возможность устройства постоянной корректировки модели внешнего мира и внутреннего состояния, обучения его элементарным навыкам.
На высших стратегическом и тактическом уровнях следует предусмотреть возможность вмешательства оператора.
При этом структурно робот представляет собой комплекс систем, объединенных одной целью поведения. Ни одна из систем робота не действует самостоятельно и бесконтрольно, а подчинена об^цей стратегии, заданной оператором, или частной, выработанной в результате общения с внешним миром.
Робот должен состоять из носителя, обеспечивающего его точное перемещение в пространстве, и следующих систем: эф-фекторной (системы общения с внешней средой); вычислительно-управляющей; общения с оператором.
Одной из главных оказывается вычислительно-управляющая система, в функции которой входит:
— хранение в памяти и регулярная корректировка модели внешней среды и внутреннего состояния робота;
— обработка поступающей из рецепторной системы информации в соответствии с заданной оператором подцели;
— использование результатов анализа информации об окружающей среде для формирования управляющих сигналов в эф-фекторную систему на основании модели внешней среды, внутреннего состояния робота и заданной подцели;
— рациональное кодирование информации для ее передачи по каналу связи;
— управление работой канала связи.
В управляющем информационном комплексе существуют два уровня обработки информации: на верхнем обработка ведется центральным вычислительным устройством; на нижнем — с помощью специализированных устройств обработки и промежуточного хранения данных. Эти устройства являются промежуточными между рецепторной системой и центральным вычислительным устройством (препроцессорами) и одновременно промежуточными между центральным вычислительным устройством и эффекторной системой (постпроцессорами).
В функции центрального вычислительного устройства входит:
— анализ непротиворечивости и возможности исполнения команд, поступающих от оператора;
— анализ команд на стратегическом и тактическом уровнях;
— выдача команд тактического уровня управления на постпроцессоры;
— периодический опрос буферной памяти каждого препроцессора и постпроцессора;
— обработка на высшем уровне информации от рецепторной системы;
— хранение и коррекция математической модели внешней среды.
Функции препроцессора заключаются:
— в предварительной обработке данных, поступивших от рецепторной системы;
— в управлении постпроцессорами исполнительных органов;
— в хранении в буферной памяти полученной в результате предварительной обработки информации.
Наконец, функции постпроцессора состоят в следующем:
— в расшифровке поступающих из центрального вычислительного устройства команд тактического уровня;
— в непосредственном управлении исполнительными приводами;
— в контроле за отработкой команд по сигналам от датчиков внутренних обратных связей;
— в хранении в буферной памяти информации, полученной в результате контроля обработки команд.
В настоящее время большинство исследований сосредоточено на создании систем супервизорного управления. При таком управлении оператор, работающий в режиме супервизора, находясь на судне обеспечения, предварительно расчленяет исходную задачу на последовательные элементарные операции. Каждой операции присваивается типовая команда. Набор типовых команд определяется характером выполняемых работ и фактически является своеобразным языком общения с роботом. Помимо типовых команд, в этот язык входят и вспомогательные команды, которые, в частности, используются для более компактной записи командных фраз. Такой метод управления обеспечивает аппарату-роботу самостоятельность действий в пределах выполнения типовой команды.
Очевидно, что применение систем супервизорного управления на необитаемых подводных аппаратах-роботах позволит существенно повысить эффективность их использования при проведении исследований и подводно-технических работ на больших глубинах.
В. С. Ястребов
УКАЗАТЕЛЬ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бойко Е. И. Время реакции и физиологический закон силы.— В кн.: Пограничные законы психологии и физиологии.— М.: Изд-во Акад. мед. наук РСФСР, 1961.
2. Ломов Б. Ф. Человек и техника.— М.: Советское радио, 1966, с. 31—32.
3. Ястребов В. С. Об одном способе управления подводным телеуправляемым аппаратом. — М.: ВИНИТИ, 4016—72 Деп., 1971, с. 3—5.