Нишу автономных судов ожидает такой же взрыв развития, как мы наблюдаем в последние годы в сегменте БПЛА. Тысячи компактных беспилотников будут годами находиться в океане. Причем речь идет исключительно о мирных исследовательских целях и мониторинге.
Представьте, что вам нужно отслеживать параметры среды, следить за течениями, перемещением рыбы, составлять подробные карты глубин, изучать морское дно и отдельные подводные объекты или явления. Фрахт научно-исследовательского судна — это сезонно и очень дорого. Буквально в десятки раз дороже, чем разместить автономные беспилотники с необходимым набором оборудования и малыми исследовательскими дронами на борту.
Ниже небольшой рассказ про отечественный проект подобных судов.
Это еще один проект, который я вытащила из недр акселератора Архипелаг 2022. Официальное название — «Морской маркер». Ведут его совместно «МорРоботСистемс» и Астраханский государственный университет. Если все пойдет по плану, в следующем году начнется серийное производство.
Беспилотников уже много, но они «ручные»
Вариаций надводных автономных судов вокруг полно, но большая часть рассчитана на работу в связке с обслуживающим персоналом в порту или на научно-исследовательском судне. Данный проект предполагает, что робот отправляется в плавание самостоятельно без такой поддержки.
Миссия беспилотника дольше и обходится дешевле экспедиции на научно-исследовательском судне. Робот может собрать полный пакет данных, которые хотелось бы иметь морскому исследователю, в том числе те, которые в принципе невозможно получить на большом научно-исследовательском судне. Например, отследить миграцию рыб без влияния винтов и шума судового двигателя. С помощью беспилотника можно проводить комплексные исследования процессов в динамике.
Какие данные можно собирать
В теории можно получить практически все, что измеряется датчиками и камерами:
метеорологические данные, включая состав воздуха;
данные о магнитном поле;
данные о поверхности воды — измерять высоту и период волны, фиксировать наличие посторонних объектов на поверхности;
данные об объектах под водой — все, что касается движения любых рыб и млекопитающих, а также данные кадрирования дна для определения его структуры и ландшафта.
На борту может быть размещен небольшой привязной коптер. В морской среде обеспечить стабильную посадку на палубу автономного коптера будет сложно. С этим не всегда справляется опытный пилот. Но привязной БПЛА вполне сможет работать в таких условиях и вернуться на базу даже во время сильного волнения.
Если такой БПЛА оснастить гиперспектральной камерой, с его помощью можно исследовать объекты на поверхности моря, вплоть до их химического состава.
Аналогично в сборе данных может участвовать автономный необитаемый подводный аппарат (АНПА). Он обеспечит съемку, сбор проб донного грунта и воды на разных глубинах.
Но это в теории. Реальные заказчики оказались прагматичнее, поэтому в базовый состав оборудования вошли:
гидрологические датчики;
все, что касается сбора метеоданных;
оборудование для кадрирования дна;
блок передачи данных.
Этот список повлиял на многие конструктивные и инженерные решения.
Хотели максимальной автономности
В итоге требуется судно, ориентированное на работу в океанической среде, удаленной от прибрежной территории, с автономными походами до 365 дней.
Робот, который не поддерживает такую длительную автономку, привязывает себя либо к порту приписки, либо к научно-исследовательскому судну. В обоих вариантах получается, что это уже не беспилотные исследования, а просто дополнительный инструмент для работы в море. На этом рынке уже довольно тесно.
Для работы исследовательского оборудования потребуется относительно много энергии. По предварительным оценкам, системы жизнеобеспечения судна должны потреблять примерно 200 Вт мощности. Кроме того, разработчики поставили для себя рубеж в 72 часа полной автономности судна без возможности подзарядки.
Итоговые расчеты показали, что для бесперебойной работы систем необходима установка солнечных панелей мощностью примерно 1 кВт. Часть из них разместится на парусе. Чтобы монокристаллы выдерживали длительное воздействие соленой влаги, их покроют специальной пленкой, пропускающей свет в нужном диапазоне длины волны. Аналогичное решение использовали в проекте по размещению автономных буев на Балтике. Его тогда делала компания «Телеком-СТВ», которая спроектировала энергосистему и для нынешнего проекта.
«Энергетическая» теория была подкреплена практикой в рамках проекта «Эковолна» — это первый в России электрокатамаран на солнечных батареях, который своим ходом дошел из Балтики в Каспий. В его активе были панели мощностью 11 кВт, питающие пару электродвигателей общей мощностью 8 кВт и аккумуляторную батарею емкостью 70 кВт·ч.
При проектировании своего робота группа имела возможность наблюдать, как «Эковолна» ведет себя в эксплуатации, поскольку после «исторического» перехода из Балтики он остался на Северном Каспии в качестве опытного полигона.
Парус-крыло и принципы управления
Один из уникальных элементов — жесткий парус-крыло из композитных радиопрозрачных материалов, используемый для движения и управления судном, а заодно для размещения ряда датчиков и солнечных панелей.
На робот возможно установить парус высотой от трех до шести метров — в зависимости от задач, акватории и ветровых потоков. Используя воздушные потоки, парус-крыло может разгонять судно до ~24 км/ч.
Парус поворачивают сервоприводами. Дополнительно конструкторы предусмотрели систему фиксации, которая отвечает за удержание курса движения.
На парусе есть флаперон (по аналогии с самолетным крылом), который позволяет удерживать судно на курсе или немного корректировать этот курс, не поворачивая большой парус. Флаперон помогает добиваться максимальной тяги в заданном направлении.
При разработке паруса основной задачей было научиться правильно реагировать на изменения ветра в акватории. Команда не ставила условие двигаться под парусом строго по заданной траектории. Поэтому в зависимости от текущей ветровой нагрузки робот сам выбирает оптимальный курс движения, находясь в оговоренном периметре. Для работы автоматики на судне размещен приемник ГЛОНАСС/GPS, а также инерциальная навигационная система. Она же помогает ювелирно настраивать работу паруса-крыла.
На экстренный случай у робота есть электромотор, который может зафиксировать судно в определенной точке на короткий промежуток времени — например, если нужно снять данные. Иного способа фиксации (якоря) не предусмотрено, равно как и длительного перемещения на электротяге.
По проекту робота можно пилотировать дистанционно: оператор дает задание, в какую зону переместиться или как скорректировать текущий курс.
С точки зрения навигации в районе действующих морских путей парус очень удобен: по правилам такие суда имеют один из самых высоких приоритетов в движении. Однако у команды нет расчета на то, что робота все будут пропускать. Для навигации в реальных условиях будут использовать систему машинного зрения — распознавание объектов на поверхности воды. Нейросеть будет обучаться на изображениях морских объектов из интернета, а также на фотографиях, снятых на Волге проектной командой.
Корпус и компоновка
Ориентируясь на максимальную жизнеспособность, робота решили делать монокорпусным. Помимо хорошей проработки яхтенным сообществом, такая конструкция обеспечивает максимальный угол атаки относительно ветра, то есть дает больше возможностей для выбора курса.
Как и любая яхта, судно имеет киль с противовесом. Компоновку рассчитывали таким образом, чтобы центр тяжести оказался как можно ниже.
По условиям задачи в случае опрокидывания робота (для морских яхт это штатное явление) он должен возвращаться в исходное состояние и продолжать движение, не нанося себе ущерба. В итоге корпус должен выдерживать шторм до 9–11 баллов по шкале Бофорта. Для сравнения: пилотируемые научно-исследовательские суда останавливают изыскания при шести баллах.
Общая длина корпуса — 5,5 м.
Композитные материалы обеспечивают минимальный вес, ведь вместе со всем оборудованием требовалось уложиться в 200 кг, чтобы судно не требовало регистрации в ГИМС.
Помимо обязательного оборудования, в корпусе заложили технологический люк для привязного БПЛА. Его разрабатывают совместно с одним из подразделений РАН. Он сможет подниматься на высоту до 50–100 метров и выполнять роль ретрансляционной антенны, а заодно собирать данные над поверхностью моря.
Аналогично в проекте появился крепеж для АНПА (автономного необитаемого подводного аппарата). У завода «Электроприбор» есть интересные наработки в этом направлении: АНПА с возможностью длительного нахождения под водой и достижения высоких скоростей перемещения за счет химических электрогенераторов. Возможно, эти наработки войдут в перечень штатного оборудования морского робота на следующих этапах.
На какой стадии проект
Сейчас идет предсборочный этап. На нем отдельные узлы проверяют на совместимость. Для создания прототипа принципиально не планировали использовать разработанные в единственном экземпляре экспериментальные компоненты.
Современная история знает слишком много примеров того, как отличный опытно-промышленный образец так и не вышел в серию, потому что никто не понимал, как перейти к тиражируемому проекту. Чтобы не застрять на этой стадии, сразу подбирали серийно выпускаемые решения.
К концу года все необходимое окажется на складе и начнется сборка первого опытно-промышленного образца. В команде многие надеются на старт испытаний уже в январе, поскольку в Астрахани в это время частенько не бывает льда на реках.
По результатам испытаний, скорее всего, потребуется лишь минимальная доработка и шлифовка проекта под задачи конкретного покупателя, после чего в 2023 году можно будет перейти к серийному производству.
Первая партия роботов будет передавать данные через спутник. Европейские спутники с дешевой связью сейчас недоступны, поэтому данные будут фильтровать и предобрабатывать прямо на борту робота, чтобы сократить объем трафика. Первая версия электроники для решения такой задачи требовала дополнительного охлаждения и в целом была низкопроизводительна. Поэтому пришлось собирать более мощную систему.
Стоимость робота ожидается на уровне 20 млн рублей. Для сравнения: стоимость строительства двух заложенных в 2021 году научно-исследовательских кораблей, рассчитанных на автономность до 50 суток, — 28,4 млрд рублей. При такой разнице в бюджетах у морских беспилотников уже есть пара заинтересованных потенциальных заказчиков, которые имеют собственный опыт морских разработок и готовы участвовать в инженерных изысканиях.
Катамаран и тримаран
Конструктивно катамаран больше подходит в качестве основы для робота. Он позволяет нести больше оборудования, что важно для выполнения прибрежных задач.
В отличие от монокорпусного «автономного» проекта, в сфере «прибрежной» работы в разы больше конкурентов, которые уже вывели на рынок свои готовые решения. Поскольку такая техника всегда находится рядом с базой, катамаран или тримаран реализуют в полностью аккумуляторном варианте или с двигателем внутреннего сгорания.
В поисках своей ниши и на этом рынке разработчики решили оставить парус-крыло для увеличения автономности в прибрежной зоне. А форм-фактор с дополнительными поплавками — это способ увеличить площадь для размещения солнечных батарей, чтобы питать все оборудование, находящееся на борту. Катамаран позволяет прийти к выработке 2,2 кВт энергии, а тримаран — 3,3 кВт.
Перспективы
После запуска роботов в серию из них можно формировать сети, которые взаимодействуют друг с другом, дополняя собранную информацию данными дистанционного зондирования Земли. Таких комплексных исследований пока нет ни у кого.
В целом команда считает, что нишу автономных судов ожидает такой же взрыв развития, как мы наблюдаем в последние годы в сегменте БПЛА. Лет 15 назад летающий беспилотник был диковинкой, а сейчас они уже готовы доставлять посылки, следят за дорожным движением и выполняют массу другой полезной работы.
Поэтому команда проекта потратила много сил на экономические и маркетинговые исследования, чтобы понять, как формируется стоимость информации и сколько будут стоить данные, собранные в море. Уже сейчас видно несколько потенциально выгодных направлений. Можно не только строить автономные суда, но и сдавать их в аренду, взяв на себя все риски сервиса, или продавать только собранные данные.
Идея автономного робота получила поддержку в 2020 году на Форуме «Сильные идеи для нового времени». В 2021 году его поддержало Министерство науки и высшего образования РФ в рамках программы «Приоритет-2030». Возможно, проект будет частично профинансирован НТИ.
