Приветствуем вас, уважаемые читатели!
Для начала расскажем немного о себе. Мы - команда местами отчаянных инженеров, которые выбрали для себя эту странную и тяжелую ношу - подводную робототехнику.
Когда нас спрашивают где то в кулуарах, в личных беседах, чем мы занимаемся. Мы отвечаем: делаем подводных роботов, и в ответ чаще всего слышим недоумение: мол, а что это собственно такое???
Редкий собеседник вспомнит про начало фильма “Титаник”, где герои обследовали собственно сам “Титаник” с помощью подводных телеуправляемых аппаратов. Еще реже можно услышать про про подводный аппарат МИР. Кто-то даже порадует смекалкой и спросит про торпеды, которые являются тоже в некотором роде подводными роботами.
Так сложилось, что это действительно довольно редкая и не сильно популярная отрасль науки и техники. Однако мы верим, что стоим у истоков нечто такого, что когда-то охватило летающие дроны - невероятной популярности, причем в очень многих сферах деятельности.
С чего началась наша деятельность ? Три года назад мы - сотрудники питерской Корабелки - решили подать заявку на грант Фонда Содействия Инновациям. Подали, и в общем-то, выиграли. Грант давался на фирму, поэтому она была создана и получила наукоёмкое название “Подводные дроны”. В качестве проекта, с которым мы победили, был компактный подводный аппарат для съемки фото и видео под водой. При этом он предполагал наличие достаточно высокой маневренности и устройство по типу конструктора, т.е. легко собираемый и легко модернизируемый:
Сам робот мы назвали именем черепашки - “Трионикс”, добавив шифр 4М, что означает количество движителей (моторов). Название выбиралось по простому принципу: в Корабелке наших роботов мы называли названиями рыб - “Акара”, “Вариола”, “Гуппи”, “Вобла”. Так как наш робот чем-то похож на черепаху, мы решили его назвать в честь нее. Название “Трионикс” нам настолько понравилось, что сама наша команда впоследствии получила второе имя - “Трионикс ЛАБ.”
Если считать стартапом создание чего-то, используя инвестиции или стороннее финансирование, то на этом проекте наш стартап и закончился, потому что еще до закрытия гранта мы каким-то немыслимым образом благодаря окружающим нас добрым людям, которые видели наш запал, вышли на реальные заказы и начали зарабатывать деньги. Которые впоследствии стали тратить в том числе и на наш самый первый грантовый проект, так как любим его всей душой.
Сейчас в нашем активе детские образовательные наборы подводных роботов, даже учебный макет отсека судна (железный, тяжелый, настоящий кусок корабля, который не тонет, качается, кренится и ржавеет), винто-рулевые колонки, рули и движители для моделей судов в Арктическом НИИ, подводные энкодеры, изготовление каких то немыслимых деталей на собственных станках, победа в реальных соревнованиях подводных аппаратов в г. Астрахань, изготовление бассейна для школы, и даже первые выполненные на заказ работы по обследованию подводной акватории. Об этом, кстати, мы и хотим сегодня рассказать подробнее.
Для чего в основном делаются компактные подводные роботы? В первую очередь для подводной видеосъемки - приехать на озеро, достать рюкзак с роботом, включить его и запустить в воду. Дойти до дна, поснимать рыбу, увидеть что-нибудь интересненькое. Иногда даже найти что-то ранее утерянное.
Основные параметры, которые влияют на удобство работы здесь - это управляемость и размер робота. Если робот компактный, то его удобно принести, удобно запустить, он не тяжелый. Если робот хорошо управляемый, то пользователю будет удобно им управлять, получится качественный видеоматериал, все будут довольны.
Именно на эти два основных, на наш взгляд, параметра мы и делаем ставку в наших разработках. Большое нам не интересно делать, так как дорого и неудобно. Маленькое делать условно недорого и очень удобно испытывать, будь то бассейн или озеро или даже открытое море. Но сразу скажем, мы не хотим сказать, что нужны только маленькие роботы, а большие вроде как и излишне. У всего есть своя цель и модель применения. И мы хорошо понимаем для чего нужны и маленькие роботы, и большие.
Итак, вернемся к нашей работе по обследованию акватории
К нам поступил запрос от коллег из РГГМУ (Российский государственный гидрометеорологический университет), который имеет свою базу на острове Валаам, и в сезон ученые проводят там различные эксперименты. Одной из задач у них было обследование подводной акватории с целью понимания, какие там породы, структура дна и какие обитатели там существуют.
Изначально поездка планировалась на самое начало лета, а в то время мы как раз собирали опытный образец навигационной гидроакустической системы. Об этом проекте мы обязательно расскажем в следующих статьях, а пока лишь скажем, что это проект простой навигации для нашего подводного робота.
Однако, в силу разных обстоятельств - погоды, занятости, нестыковки временных промежутков работы наших коллег и нас - поездка состоялась лишь во второй половине лета, когда наша навигационная система уже работала и была несколько раз испытана на озере и в финском заливе.
Данная статья носит обзорный характер и мы не будем погружаться в теорию, а расскажем лишь пару слов о подводной навигации. Дело в том, что при запуске различных подводных аппаратов вопрос их навигации стоит достаточно остро, так как очень важно понимать где находится робот в данный момент. При этом штатными средствами, такими как GPS антенна, акселерометр, гироскоп, под водой пользоваться можно, но эффекта от них будет не так много, как бы хотелось. Если углы крена и дифферента еще можно понимать (и достаточно точно), то направление и координаты взять просто негде. Использование различных электронных компасов дает направление робота с определенной точностью, но, как правило, весьма ограниченное время, исчисляемое обычно минутами, реже десятками минут. И это, кстати, не самый плохой вариант! В целом здесь работает некое эмпирическое правило - чем дороже компас, тем дольше и точнее он показывает верное направление.
Координаты робота нельзя измерить в принципе, так как не существует таких средств. Радиосигнал в воде затухает очень быстро и при некоторых частотах возможно управление роботом на небольших глубинах (несколько метров), но не более того. Передача видео и прочие радости робототехники недоступны.
Для решения проблемы связи под водой используют акустические волны, а наука, занимающаяся этим называется гидроакустика. На данный момент существуют различные устройства, которые позволяют осуществлять позиционирование робота, т.е. определение его координат, однако, это, как правило очень дорогие изделия, которые имеют более сложное устройство, чем небольшой GPS датчик. Существуют также гидроакустические средства связи, которые позволяют передавать не только команды управления на расстояние, но и осуществлять голосовую связь между водолазами или между водолазом и берегом (или судном обеспечения).
Наша навигационная система работает по следующему принципу: в акватории устанавливается четыре заякоренных буя. На каждом буе есть гидроакустическая антенна, GPS датчик и радио антенна. На робот устанавливается пингер, который излучает сигнал раз в 2 секунды. Буи этот сигнал принимают и рассчитывают координаты робота, так как знают и свои благодаря своим GPS датчикам. Эти координаты буи передают на берег, где оператор робота видит эти координаты на карте. Данная система уже не новая и в целом мы лишь занимаемся ее развитием, идея принадлежит талантливым инженерам из Лаборатории подводной навигации и связи. Это наша отечественная компания, которая делает уникальные вещи! Судьба свела нас с ними и мы подружились, решив вместе делать ряд проектов, один из которых, как раз простая навигационная система, которую мы описали выше.
Пока разделение труда у нас следующее: наши коллеги делают антенны и аппаратную часть, мы делаем интеграцию в робот и программное обеспечение для него.
Основная наша цель, которую мы преследуем - это полная интеграция в робот, так как это дает большое количество полезных функций для управления роботом.
Дело в том, что большинство подобных систем, как наших, так и зарубежных, является по сути самостоятельным продуктом, отдельным от подводного аппарата. Нередко мы наблюдали, как при проведении работ существует как бы два пульта управления: отдельно роботом и отдельно навигацией. Это как в автомобиле: есть водитель, который управляет, а есть навигатор в смартфоне, который висит в держателе на лобовом стекле. Водитель едет по дороге, крутит руль, переключает передачи и поглядывает на карту. При этом единственная связь автомобиля и карты осуществляется через водителя, через его глаза и его восприятие.
Интеграция навигатора в автомобиль позволяет, например, создать автопилот - автомобиль будет считывать данные из навигатора и направлять его по маршруту. Также появятся более точные данные о скорости автомобиля и его положении, так как в единой системе будут и скорость со спутника и скорость со спидометра. И что самое главное - водителю будет гораздо проще управлять автомобилем - ему не нужно будет обрабатывать целый массив данных.
Именно поэтому мы и задумали сделать такой подводный робототехнический комплекс, который будет содержать и подводный аппарат и навигацию, и всё это управляется единым приложением и использует единые данные.
Экран управления подводным роботом “Трионикс-4М”:
После этого небольшого экскурса в подводную навигацию и рассказ про наш проект вернемся к работе на острове Валаам
Собрав всё необходимое для работы - робот, инструмент, навигационную систему, ЗИП, два комплекта одежды, еду - мы отправились в город Приозерск на причал Валаамского монастыря, откуда метеор довез нас до острова. Красивейшая природа, чистая вода, тишина!
База Гидромета немного спартанская, но зато полный пансион, “всё включено”.
Часть работ выполнялась с берега, часть работ выполнялась с моторной лодки. Рабочие глубины составляли около 30 м. Температура воды до 7 до 19 градусов Цельсия.
Сначала мы отправлялись на моторной лодке расставлять навигационные буи, стараясь накрыть ими ту акваторию, в которой необходимо провести обследование. Далее возвращались на берег и запускали подводный робот с берега, обследуя прибрежную зону. Кабель у нашего опытного образца имеет длину 100 м, а квадрат обследования составлял примерно 250х250 м, поэтому после обследования прибрежной зоны, мы отправлялись на моторной лодке в более дальнюю зону и продолжали работать уже там. Иногда мы даже оставляли робот под водой в положении стабилизации, и просто сматывая кабель приближались к роботу на лодке. Иногда вытягивали робот на берег и отправлялись на лодке вместе с роботом.
Хочется отметить, что без навигации и стабилизации курса в таких работах очень сложно сделать что-то стоящее, так как даже на закрытой воде робот постоянно куда-то уносит, а его координаты неизвестны. Видимость в озерах обычно составляет максимум несколько метров, поэтому при погружении на более менее существенную глубину с лодки робот уже не виден, т.е. визуальная навигация невозможна.
С нами в лодке находился оператор лодки, он же ученый, который подсказывал куда нужно двигаться под водой и что нужно рассмотреть получше. Он же радовался, когда мы находили что-то необычное, что радовало глаз настоящего исследователя.
Структура дна и подводного рельефа удивила и нас. В тех местах, где мы работали, дно в основном каменное, состоит из валунов, подводных скал необычной формы, была даже одна затонувшая сосна, которая очень интересно легла под углом, опершись одним концом на дно, другим на каменную скалу. Как она там оказалась, неизвестно.
Обследование подводных скал - дело сложное. Были моменты, когда кабель робота застревал между камней на глубине в 30 м и только мастерство пилотирования помогало спасти робота и снять при этом заветные кадры для заказчика.
За день мы проводили несколько таких выездов. Вечером за общим столом глубоко за полночь велись научные беседы на тему найденных артефактов. Такова жизнь исследователя.
Все поставленные задачи были выполнены за три дня. Заказчик получил ценные кадры и даже звал в гости снова, предлагая нам испытывать нашу технику у них на базе, а мы взамен подарим интересные и столь важные для ученых-гидрометеорологов кадры подводной жизни.
Мы выпустили небольшой видеоролик на ютубе, где можно посмотреть кадры, которые у нас получились во время работ.
P.S. Статья обзорная - хотели сделать больше лонгси, чем лонгрид - спасибо всем, кто прочитал, кто заинтересовался. Все технические моменты будем раскрывать дальше, а пока готовы ответить на ваши вопросы, в меру своих временных и умственных возможностей.
