Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ условий и факторов, влияющих на энергопотребление подводных аппаратов .
1.1 Типы необитаемых подводных аппаратов и структура их систем энергообеспечения. 9-24
1.2 Особенности внешней среды функционирования НПА . 25-35
1.3 Влияние алгоритмов управления и режимов работы НПА на их энергетические затраты. 36-61
1.4 Влияние структуры движительного комплекса и его избыточности на энергетические затраты НПА 62 - 70
2 Исследование методов минимизации энергопотребления НПА .
2.1 Анализ схем энергообеспечения НПА. 71 - 103
2.2 Аналитическое решение задачи выбора достаточной избыточности движительного комплекса НПА . 104-122
2.3 Аналитическое исследование режимов движения НПА, обеспечивающих минимизацию энергозатрат. 123-145
2.4 Анализ динамики и оценка энергетики целенаправленного движения НПА . 146 -15 5
3 Техническая реализация систем энергообеспечения НПА .
3.1 Системы энергообеспечения телеуправляемых и буксируемых подводных аппаратов. 156-189
3.2 Системы энергообеспечения автономных подводных аппаратов . 190 -196
Заключение 197
- Особенности внешней среды функционирования НПА
- Аналитическое решение задачи выбора достаточной избыточности движительного комплекса НПА
- Анализ динамики и оценка энергетики целенаправленного движения НПА
- Системы энергообеспечения автономных подводных аппаратов
Введение к работе
ВВЕДЕНИЕ
Энергетическая обеспеченность ПА является важнейшим показателем, определяющим его возможности и эффективность использования. Система энергообеспечения НПА выполняет две функции: во-первых, обеспечивает НПА достаточным уровнем электроэнергии, во-вторых, обеспечивает режимы минимизации потребления электроэнергии. Основным аспектам этих двух функций посвящены исследования настоящей диссертационной работы.
Каждый из существующих типов ПА, автономные и привязные, по-своему зависят от энергетического обеспечения. Автономные - от энергоёмкости энергоносителей, привязные - от совершенства передачи и преобразования энергии, способности энергосистемы обеспечивать пиковые нагрузки,
С другой стороны эффективность работы энергосистемы, её экономические показатели потребления энергии в существенной степени определяются, во-первых, конструктивным совершенством ПА и, во-вторых, режимами плавания и маневрирования у дна.
Подводные аппараты всех типов можно рассматривать как функционирующее под водой устройство, которое с позиции системотехники представляет собой единство конструкции, энергии и информации. В порядке уточнения можно добавить, что автономные необитаемые подводные аппараты представляют собой класс многомерных систем с избыточностью, которая обеспечивает им адаптацию и минимизирует потребляемую энергию. Нужно заметить, что чем выше вообще адаптационные свойства ПА, тем в более недетерминированной среде он способен действовать, не требуя увеличения расхода энергии.
Конструктивное совершенство оказывается интегральной характеристикой. Так для автономных ПА оно существенно определяется движитель-ным комплексом и местом расположения движителей, их избыточностью, типом силового привода и его экономичностью. Для привязных ПА - (ТПА) движительный комплекс так же оказывается определяющим, однако заметное влияние на энергосистему оказывает и система управления пространст-
введение венным движением и маневрированием. Поскольку весь процесс движения и маневрирования сводится к движению к цели (первый режим) и к маневрированию у цели (второй режим) формирование стратегии управления каждым режимом способно заметно снизить нагрузки на систему энергоснабжения ТПА. При этом финальная часть второго режима - динамическое позиционирование требует особенно тщательных размышлений и остроумных решений, поскольку от его совершенства - способности надежно стабилизировать ТПА у объекта работ - коренным образом зависит все рабочие функции выполняемые аппаратом.
Идеологическая нагрузка на движительный комплекс в основном концентрируется на выборе числа, расположения движителей, на выборе целесообразной избыточности. Это принципиальные вопросы, решению которых посвящено не так много работ [7, 10, 11,22,27, 35].
В диссертационной работе использованы и проанализированы их результаты.
Выбор стратегии управления ПА как многомерным объектом требует решения многих вопросов и в частности важнейшим оказывается понятие целенаправленного движения ПА. Принятие этой идеологии формулирует и соответствующие решения по структуре движительного комплекса, способах и технических средствах, используемых для выработки команд управления.
Исследованию этих вопросов посвящено значительно большее число работ [50, 55, 56, 57, 59, 60, 61, 62, 63]. Их результаты также тщательно проанализированы в диссертационной работе.
Для привязных ПА (ТПА, БПА), важнейшее значение приобретает система преобразования и передачи электроэнергии по кабелю, часто значительной протяженности (до 8000 м для глубоководных ПА). Выбор требуемых мощностей существенно определяет массогабаритные характеристики не только самого ПА, но и кабеля, спускоподъемного устройства и в конечном итоге - судна обеспечения.
введение
Нужно заметить, что по этому вопросу, не существует каких либо конкретных рекомендаций, а аналитические подходы находятся в стадии развития [34, 36, 37, 41, 43, 45, 46]. Анализ характеристик созданных аппаратов при этом показывает, что часто при проектировании ПА закладывается завышенная мощность потребляемой электроэнергии, поскольку этот параметр выбирается исходя из эмпирических или волевых соображений.
Наконец важнейшее значение имеет выбор способа передачи электроэнергии по кабелю. Здесь центральным становится вопрос помеховлияния энергетического канала на чрезвычайно чувствительные каналы передачи информации, управления и телеметрии.
Основополагающих исследований и рекомендаций по применению конкретного типа систем передачи и преобразования энергии не существует, но известна достаточно представительная масса работ с описанием достоинств и недостатков принятых, построенных и испытанных систем передачи и преобразования электроэнергии [21, 25, 26, 27, 32, 36, 37, 41,43, 45, 46].
Единого мнения о целесообразной структуре системы передачи и преобразования энергии пока в известных автору публикациях не обнаруживается.
В результате проведенного анализа автор диссертационной работы пришел к выводу, что именно эти три отмеченные в работе принципиальных фактора заметно влияют на характеристики и эффективность систем энергоснабжения ПА и, в конечном счете, на успешность их применения.
Нужно заметить, что обобщающих работ по проблеме энергообеспечения ПА известно крайне мало. Одна их них была опубликована приблизительно 20 лет назад и содержит конкретный материал 30-ти летней давности.
В тоже время она отличается полезными обобщениями и выводами, не потерявшими актуальности до сего времени.
Большинство же работ посвящено рассмотрению конкретных электросистем для конкретных ПА.
введение
По этому, по нашему мнению, в связи с бурным развитием ПА, которое наблюдается в настоящее время, становится актуальным рассмотрение с помощью системного подхода общих и принципиальных положений концепции построения энергосистем ПА различных типов и сфер применения.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование основ построения энергетических систем подводных аппаратов.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Анализ основных факторов, влияющих на выбор характеристик энергетической системы существующих типов ПА.
Анализ и оценка степени влияния систем ПА на параметры энергетической системы.
Анализ влияния режимов работы ПА на параметры энергетической системы.
Исследование влияния структуры и степени избыточности движи-тельного комплекса, идеологии управления маневрированием, типа и структуры системы передачи энергии на структуру энергетической системы ПА.
Формирование типов и структуры энергетической системы в зависимости от типа ПА и особенности их построения.
Экспериментальное подтверждение результатов проведенных исследований и технической реализации ПА.
Положения, выносимые на защиту
Принципы формирования структуры ПА различных типов* определяющих минимальное их энергопотребление
Метод определения достаточной избыточности движительного комплекса, обеспечивающей экономное энергопотребление
Основы формирования стратегии и тактики целенаправленного управления, обеспечивающего минимизацию энергопотребления
Методика анализа и синтеза систем энергообеспечения ПА различных типов.
введение
Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке основ построения систем энергообеспечения ПА, обеспечивающих минимальное энергопотребление на основе использования избыточности движительного комплекса и принципа целенаправленного управления пространственным движением ПА, тактики построения движения
Личный вклад автора состоит в постановке проблемы и задач исследований, разработанных принципиальных теоретических положений, реализации алгоритмических и схемных решений, доведения до практической реализации систем энергообеспечения в ПА различных типов (МАНТА-1500, ЗВУК 4, ЗВУК-ГЕО, ЛОКСОДРОМИЯ, СКАТ, СКАРУС, ВИЗИТ, КАЛАН, МАЛЕК, ТРИТОН).
Практическая ценность работы состоит в создании принципиальных подходов к построению систем энергообеспечения ПА, обеспечивающих минимальное их энергопотребление, в практическом создании систем энергообеспечения ПА различных типов.
Область применения результатов включает
Проектирование и создание систем энергообеспечения ПА различных типов на основе новой идеологии.
Создание движительного комплекса ПА с достаточной избыточностью, обеспечивающей экономичность ПА.
Использование алгоритма целенаправленного движения ПА для достижения минимального их энергопотребления.
Апробация работы. Результаты исследований и практической реализации неоднократно докладывались на Всесоюзных, Всероссийских, Отраслевых конференциях:
XIV Тихоокеанский научный конгресс М,, 1979,
Всесоюзная конференция в Геленджике. Апрель 1979 г.
Конференция молодых ученых ИОАН 1979 г.
Всесоюзная конференция в Геленджике. 04.1980 г.
Конференция молодых ученых ИОАН 1981
введение Всесоюзная конференция в Геленджике. Апрель 1982 г. II Всесоюзный съезд океанологов. 1982 г. Всесоюзная конференция в Геленджике, Апрель 1983 г. Всесоюзная конференция в Геленджике. 1985 г.
Ш-е Всесоюзное научно-техническое совещание "Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей"
Всесоюзная школа "Технические средства и методы исследования мирового океана". Москва, 1987 г.
Всесоюзное совещание "Технические средства и методы изучения океанов и морей", Москва, 1989,
Всесоюзная школа по техническим средствам изучения океана. Геленджик апрель 1989 г.
VIII Международной научно-технической конференции "Современные методы и средства океанологических исследований" Москва ИО РАН 2003 г.
1.1. Типы необитаемых подводных аппаратов и структура систем их энергообеспечения
Особенности внешней среды функционирования НПА
Подводные аппараты действуют в окружающей среде, отличающейся многочисленными особенностями и нестабильностью, как в пространстве, так и во времени. Все это существенно влияет на энергетическую сторону поведения ПА. При этом в зависимости от типа ПА это влияние отличается своим характером и степенью воздействия, прежде всего на выполнение дви-жительных функций. В зависимости от особенностей гидрологии, течений, стратификации, заметно меняется затрачиваемая мощность на движение ПА, определяемая сопротивлением движению. К изменчивости среды особенно критичны автономные ПА и, прежде, всего подводные роботы. При своем движении ПР вынужден адаптироваться к окружающей обстановке и, прежде всего, к меняющимся физическим параметрам воды и окружающей обстановке. При этом процесс адаптации ПР к окружающей среде оказывается многогранным. Это адаптация и к рельефу дна, и к плотности воды, ее прозрачности и т. п. Поэтому важную роль приобретает детальный анализ среды обитания ПР, который определяет структуру и мощность движительного комплекса и его сенсорной системы.
Обитаемые, телеуправляемые и автономные ПА требуют хорошей подводной навигации. В зависимости от точности определения своего места положения ПА выполняет определенную операцию построения траектории, характер которой определяет энергозатраты на ее выполнение. Точность подводной навигации зависит от точности определения скорости звука в данной акватории и толще воды. Точность же определения точности скорости звука определяется знанием гидрологии, точностью определения температуры, солености и давления. Поэтому задача минимизации энергопотребления существенно зависит от знания гидрологии. Движение к цели ПА может происходить по кратчайшей траектории в условиях точной подводной навигации, и достаточно неравномерной, по которой ПА движется, осуществляя поиск цели своего движения. Это особенную важность имеет для автономных ПА. Большую часть времени ПА затрачивают на работу в придонной области. Знание спектра придонных течений и точность регистрации позволяет с большей точностью минимизировать требуемые мощности движительного комплекса еще на стадии создания ПА. Завышение этих мощностей в связи с незнанием истинных значений придонных течений и гидрологии, приводит к увеличению массы и габаритов всего аппарата, диаметра кабеля, мощности СПУ и, в конечном счете, водоизмещения обеспечивающего судна.
Определение истинных сопротивлений движению ПА, позволяет выбирать мощность движительного комплекса, которая соответствует действительно требующимся режимам движения ПА, соответствующим действительно существующей гидрологии. Естественно, для каждого применения ПА требуется самостоятельный подход к определению режима работы движительного комплекса, учету придонной гидрологии. ПА, предназначенные для исследований, могут успешно функционировать, не достигая предельных характеристик движительного комплекса. Напротив, ПА, предназначенные для аварийно-спасательных операций должны быть способны противостоять придонным течениям, быть успешно используемым при высокой бальности волнения. Конечно, это требует повышенной мощности не только движительного комплекса, но и всей обеспечивающей инфраструктуры, включая обеспечивающее судно. Нужно заметить, что тактика выбора мощности движительного комплекса, в основном определяющего энергопотребление ПА, является многоплановым н многокомпонентным процессом, в котором приходится учитывать не только особенности назначения ПА и режимы его работы, но и те особенности окружающей среды, которые прямым образом влияют на энергозатраты при движении ПА, на выбор траектории подхода к цели, при маневрировании и стабилизации у цели.В связи с этим, более подробно рассмотрим все названные составляющие что позволит более обоснованно подходить к процессу минимизации энергозатрат ПА при его создании.
Среда, в которой действует ПА, характеризуется рядом физических полей: гидрофизические, геофизические и рельефа дна. Наибольший интерес и важность для нас представляют гидрофизические поля: поле течений, поле тепературы, поле солености, гидроакустическое и гидрооптическое ПОЛЯ. Поле течений. Все многообразие движений океанских вод в грубом приближении можно разделить на микро-, мезо- и макромасштабные пространственные и временные движения. Энергию для своего движения океан получает в результате взаимодействия с атмосферой, а взаимодействие заключается в обмене массой, теплом и энергией. Общая же циркуляция вод океана возбуждается двумя факторами: механическими и термохалинными. Механические факторы - это касательное напряжение ветра на поверхности океана и взаимодействие с поверхностью океана неравномерно распределенного над ним атмосферного равления. Термохалинные факторы - это неравномерно распределенное по площади океана нагревание и охлаждение, осадки и испарение. Механические факторы не оказывают влияние на плотность воды, термохалинные, наоборот, формируют характеристики главнейших водных масс, вовлекая их в циркуляцию. Благодаря ветровому воздействию океан получает энергию из атмосферы. Возбуждаемые ветром течения бывают дрейфовые и градиентные. Первые возникают в верхнем тонком слое. Вторые порождаются изменениями уровня в результате ветрового сгона и нагона вод, в результате чего образуются соответствующие горизонтальные градиенты давления, а далее градиентные течения.
Термохалинные факторы непосредственно движения океанских вод не возбуждают, однако они формируют поля температуры и солености. Возникает разница в плотностях поверхностных и глубинных вод, формируется поле давления и возникает термохалинная циркуляция. Порядок скорости средней многолетней циркуляции на поверхности океана составляет примерно 0.10 м/сек. В вертикальном распределении плотности выделяются три слоя. Верхний, однородный слой испытывает непосредственное влияние атмосферы и отделяется от нижележащего слоя слоем скачка, характеризующимся резким изменением температуры. Самый нижний, глубинный слой называют квазиоднородным, и его свойства определяются только внутренними свойствами.
Аналитическое решение задачи выбора достаточной избыточности движительного комплекса НПА
Адаптация ПР возможна лишь при условии, если его системы обладают определенной избыточностью. Для того чтобы приспосабливаться, необходимо иметь варианты структур, возможности создавать эти структуры и оценивать их пригодность к текущим условиям внешнего мира и функционирования ПР. Строго говоря, чем больше избыточность системы, тем больше число вариантов может быть создано и тем большее число вариантов выбора может существовать. Если же поставить условие не сравнения подходящих вариантов в целях выбора наилучшего, а принятие варианта, обеспечивающего параметры функционирования ПР, определяемые некоторой заранее сформированной областью их изменения, то задача выбора варианта существенно упрощается и, прежде всего, сокращается время, затрачиваемое на такой выбор. Проще говоря, первый же из вариантов, который в принципе удовлетворяет стоящим требованиям, принимается как рабочий, достаточный, хотя и далеко не лучший. Выбранный вариант должен обеспечить быстрейший переход системы, а в результате и всего ПА в новое стационарное состояние, находящееся в соответствии с изменившимися внешними параметрами. Наилучший вариант, графически определяемый точкой, заменяется достаточным вариантом, который графически может быть представлен любой точкой, находящейся в пределах области в системе параметров внешней среды. Очевидно, что правильный выбор границ этой области обеспечит как длительность целенаправленного функционирования ПА, так и качество его функционирования.
Если эта область будет слишком велика, и варианты перехода в стационарное состояние систем будут выбираться вблизи этих границ, то качественные показатели функционирования ПА могут быть не высоки, но при этом время, затрачиваемое роботом на выбор варианта, и, следовательно, время возвращения его к стационарному состоянию и энергозатраты на это будут малы. Если же область обеспечения цели функционирования ПА мала, то потребуется выполнить большее число переборов вариантов. Время выбора удовлетворительного варианта увеличится, однако при этом выбранный вариант сможет обеспечить более высокие показатели функционирования ПА и наименьшие энергозатраты. По-видимому, требуется компромиссное решение, которое в значительной степени связано с той избыточностью, которая заложена в системе при ее создании. Высокая степень избыточности позволяет создать большее число вариантов и тем самым даст возможность быстрейшим путем прийти к выбору первого же удовлетворяющего варианта. Если при этом границы области обеспечения функционирования достаточно широки, то время выбора варианта будет еще меньшим.
Может возникнуть ситуация, когда требуется жертвовать качеством функционирования ради быстрейшего достижения стационарного состояния. Тогда при тех же вариантах и степени избыточности время выбора приемлемого варианта может быть уменьшено, если ПА будет удовлетворять достижению не условий обеспечения цели функционирования, а достижению условий сохранения минимальной энергостабильности. Качеством при этом будем вынуждены пожертвовать. И, наконец, крайний случай, когда требования ко времени перехода в новое состояние особенно жестки и нет практически времени на выбор варианта. В этом случае принимается первый же вариант в ряду перебора вариантов, и этот вариант может оказаться выводящим ПА за границу области сохранения стабильности. В этом случае остается лишь один выход - прекратить функционирование. Из сказанного вытекает естественный вывод о необходимости обеспечения наибольшей степени избыточности по каждой из систем. Это позволит создавать высокую универсальность и качество функционирования ПА. Однако ограничением являются технические возможности его реализации и экономическая целесообразность. Именно поэтому процесс выбора степени избыточности по системам ПА должен быть компромиссным, учитывающим сферу функционирования, среду обитания, важность безотказного функционирования, безопасность существования ПА как технической системы.
Оценка создаваемых вариантов структур функционирования по системам предполагает их сравнение друг с другом в процессе анализа достаточности каждой из них в данной ситуации. При этом сравнение может выполняться лишь на основе одного или нескольких определенных критериев. Поэтому в отношении каждой системы ПА решение задачи выбора степени избыточности должно начинаться установлением критериев, по которым предполагается выбор вариантов структур функционирования. В нашем случае - энергопотребление. Необходимо отметить, что проблема выбора степени избыточности в технических системах в настоящее время остается одной из наиболее сложных и наименее разработанных. Каких-либо аналитических подходов к ее решению в общем виде не существует. И, по-видимому, прямыми формальными подходами эта проблема вряд ли может быть решена в настоящее время удовлетворительно. Возможен подход от частного к общему. В самом деле, анализ подходов к выбору степени избыточности различных систем ПА - помимо решения частной задачи может позволить выявить ряд взаимно коррелирующих подходов и правил, изучение и обобщение которых в дальнейшем может дать ключ к пониманию всей проблемы выбора степени избыточности независимо от конкретных систем.
В подводном аппарате одной из основных систем, избыточность которой в существенной степени определяет конечный результат функционирования ПА, является движительная система. В ней увеличение степени избыточности достигается сложно, с большими техническими и экономическими затратами. Поэтому выбору достаточной степени избыточности необходимо уделить специальное внимание, выработав некоторый логико-аналитический подход. Для возможности выявления и анализа роли каждого из движителей ПА, контролирования его влияния и степени участия в формировании результирующего вектора упора и скорости движения ПА необходимо ввести базовую и дополнительные системы координат.
Базовая система координат должна быть помещена началом в центре величины ПА. Дополнительные системы координат помещаются началом в точке приложения вектора упора каждого движителя. Эта процедура позволяет выделить каждый движитель, создаваемый им упор и контролировать этот упор как по модулю, так и по направлению. Математическая модель такой движительной системы ПА позволяет сформировать управление каждого движителя и позволить таким образом решить задачу адаптации локомо-ционной системы к внешним изменяющимся условиям.
Анализ динамики и оценка энергетики целенаправленного движения НПА
Управление такими объектами происходит по «-управляющим каналам. В результате такого управления реализуется управляемое перемещение объекта из исходной точки в заданную. Такое управление называется целенаправленным. В процессе целенаправленного управления за счет изменения каждой координаты происходит изменение результирующего параметра -расстояния до цели. Этот параметр называется обобщенным и является функцией изменения обобщенных координат, определяющих положение многомерного объекта в пространстве. Динамику многомерного объекта в пространстве удобнее всего описывать методами аналитической механики. Пользуясь матричной формой записи, можем записать уравнение динамики сложной системы: На схеме представлены основные каналы управления тремя линейными и тремя вращательными перемещениями НПА и структура влияния каждого канала управления на другие каналы - т. е. их взаимовлияние. Последнее исключительно важно при стремлении получить высокие качества управления объектом.
Взаимное влияние каналов управления, конечно же, носит нелинейный характер. Однако если рассматривать поведение системы в малых отклонениях от любого устойчивого положения, то вся многомерная система может с достаточной для инженерных расчетов точностью считаться линейной. Дело в том, что первый режим (режим I) перемещения НПА, из исходной точки к цели, может считаться с определенной погрешностью установившимся, который выполняется обычно по прямой или плавной траектории и отклонения носят характер флуктуации относительно целевой траектории. Наоборот, второй режим (режим II) - режим динамического позиционирования НПА оказывается существенно неустановившимся. Но в то же время для этого режима характерны малые перемещения аппарата (управляемые и возмущенные), т. е. малые изменения обобщенных координат, характерные для режима стабилизации объекта. Поэтому, предположения о малых отклонениях от устойчивого состояния аппарата оказываются не просто допущениями, но реально осуществляемыми перемещениями в пространстве.
Это обстоятельство является исключительно важным, позволяющим исследовать динамику подводного аппарата в режиме реально существующих малых отклонений от положения равновесия (устойчивого состояния). Поэтому приведенная структура достаточно реально отражает особенности динамики НПА. НПА - плавающее тело, имеющее в пространстве 6 степеней свободы. При воздействии на аппарат произвольного возмущения, он произвольным образом изменяет свое первоначальное положение в пространстве. В данном случае мы имеем дело с собственными движениями аппарата, которые определяются его собственными характеристиками: Анализ динамики и оценка энергетики целенаправленного движения НПЛ массой, моментом инерции, сопротивлением в жидкости, плавучестью. Если требуется, чтобы каждое перемещение аппарата контролировалось, то на каждую степень свободы аппарата необходимо наложить соответствующие связи.
Свободных движений аппарата - шесть. Следовательно, должно быть наложено шесть связей. В этом случае аппарат будет полностью управляем. Любое уменьшение числа налагаемых связей приводит к тому, что какое-то из возможных свободных перемещений аппарата не контролируется. Следовательно, в этом направлении аппарат становится не контролируемым и не управляемым. Физически связи могут быть наложены движителями, создающими каждый свой вектор упора. Суммирование векторов упора движителей дает результирующий вектор упора, способный изменить свою величину от нуля до определенного максимального значения. Ориентация суммарного вектора упора осуществляется в полной сфере. Если контролируются не все степени свободы аппарата, то отсутствуют и соответствующие векторы упоров. Это приводит к тому, что ориентация суммарного вектора упора происходит не в полной сфере. Определенные части пространства этой сферы остаются не охваченными суммарным вектором упора. Это зоны, в которых отсутствует управление, а сохраняются свободные движения аппарата. Все многообразие эволюции НПА под водой при выполнении заданных функций в конечном итоге сводится к двум режимам.
После установления контакта с объектом работ (локатором, многолучевым эхолотом, по информации от системы донной акустической навигации) НПА выполняет первый режим: движение из исходной точки к цели. Стратегией этого режима является подход к цели, т. е. сокращение расстояния от НПА до цели до нуля. В этом случае задача первого режима НПА считается выполненной. Алгоритм движения ПА из стартовой точки к точке цели должен строиться на следующих основах: 1. Вектор скорости ПА должен быть направлен в точку цели. 2. Расстояние S между стартовой точкой и точкой цели должно стремиться к нулю (AS - О). 3. Движение ПА к целевой точке должно осуществляться в пре делах некоторой цилиндрической области (трубки), не выходя за её пределы. Длина траектории ПА в пределах трубки будет больше длины прямой между стартовой точкой и точкой цели. Поэтому: іщах- Ант = - &L - 0. Первая часть условий: вектор скорости ПА, приложенный к центру величины, должен проходить через точку цели. Р - центр величины ПА А - цель Хд, Х-р - координаты этих точек Введём связанные оси ПА, так что ось У совпадает с вектором скорости ПА. Введём матрицу направляющих косинусов ctip связывающих неподвижную и подвижную систему координат. Прямое и обратное преобразование координат будет: Л — -Лр — (X їрї Это универсальное уравнение кинематики системы, имеющей 9 координат (из 12) и они могут быть выбраны произвольно.
Системы энергообеспечения автономных подводных аппаратов
Автономные подводные аппараты имеют автономное бортовое питание от аккумуляторных батарей большой энергоёмкости, обеспечивающих действие АПА по программе в течение нескольких часов (минимум 6 часов). Структурная схема такого энергообеспечения рассмотрена в главе 2 (схема 6). Питание от аккумуляторной батареи к потребителям передается через вторичные источники питания. На приведенной схеме выполнено описание АПА «СКАТ», АПА «СКАРУС» и автономной модульной системы, созданной в ИО РАН на основе АПА «СКАТ». АПА «СКАТ» предназначен для картографирования дна путем фото съёмки больших площадей с отстояний от дна до 15 метров. С этой целью он оборудован сверхмощной импульсной системой освещения достигающей в W импульсе энергии 2000 Джоулей. Необходимый запас накопительных конденсаторов расположен в прочном сферическом корпусе диаметром 2 метра. АПА «СКАТ» имеет массу 8000 кг (рис.3.2-1). Автономное питание в виде свинцово-кислотной аккумуляторной батареи на основе аккумуляторов СП-200 имеет ёмкость 35 кВт-час. Аккумуляторная батарея расположена в специальных разгруженных боксах вне прочного корпуса.
АПА «СКАТ» имеет четыре движителя мощностью по 6 кВт каждый, установленных на поворотных колонках. Это обеспечивает высокую маневренность в пространстве. Электропитание распределяется вторичным источником питания на насосную станцию движительного комплекса, систему управления движением, бортовой вычислительный комплекс, систему внутренней и внешней навигации, телевизионную систему с галогенными светильниками, систему импульсного освещения, фотокомплекс. Электронная аппаратура управления и бортовой вычислительный комплекс защищены блоками фильтров питающего напряжения. Принципиально СЭП АПА «СКАТ» аналогична СЭП обитаемого подводного аппарата «АРГУС» (рис, 3.2-2). Схема электропитания обитаемого ПА «АРГУС» Для СЭП принят централизованный способ соединения источников тока путем соединения шести аккумуляторных батарей напряжением 27,5 В емкостью 1200 А ч параллельно на общую шину, чем обеспечивается большая надежность электроснабжения, так как выход из строя одной аккумуляторной батареи не может повлиять на бесперебойность электроснабжения. В системе распределения электроэнергии аппарата применена фидерная система, по которой электроэнергия подается к каждому потребителю только с одной стороны. К достоинствам данного способа относятся простота реализации, несложность расчета, легкость защиты, малая трудоемкость монтажа и поиска поврежденных участков. К недостаткам относится то, что при механическом повреждении общей распределительной шины или при коротком замыкании обесточиваются все потребители. Основная аккумуляторная батарея аппарата комплектуется из шести параллельно соединенных блоков, в каждом из которых размещены 14 последовательно соединенных аккумуляторов СП-200. Блоки заполнены трансформаторным маслом для компенсации наружного давления.
Для защиты каждой ветви аккумуляторных батарей от токов короткого замыкания в блоках установлены тугоплавкие предохранители типа ТП-200. Из каждого аккумуляторного блока питание через герметичные электроразъемы и электровводы подается в прочный корпус, где осуществляется раздельная коммутация каждой из батарей. Структура и взаимодействие модульного робототехнического комплекса рассмотрена в Главе II. Там же показаны преимущества такого объединения. Комплекс был создан в ИО АН с участием автора на основе АПА «СКАТ» и мини ТПА, по характеристикам аналогичным ТПА «ПОМОР»: масса 80 кг, габариты 90 см х 50 см х 40 см. Модуль имеет обтекаемую эллипсоидную форму, оборудован телевизионной системой со светильниками, и движительным комплексом из четырех движителей: двух маршевых, одного вертикального и одного лагового (рис.3.2-3). Робот-модуль связан с АПА «СКАТ» плавучим кабелем длиной 50 метров, по которому передается электропитание 220 вольт 50 Гц, мощностью 0,7 кВт, информация управления, телеметрия и видеоинформация. Для обеспечения энергопитанием модуля на АПА «СКАТ» установлен блок электрического питания модуля, получающего энергию от аккумуляторной батареи, превращаемую инвертором в переменный ток 220 В 50 Гц. Схема энергосистемы робота-модуля аналогична схеме ПА «ПОМОР». Испытания комплекса в море показали высокую эффективность применения робота-модуля, позволяющую существенно экономить энергию и существенно продлить время активных действий всего комплекса. Подобные комплексы чрезвычайно эффективны для проведения детальных исследований, локального поиска и тщательного осмотра дна и донных сооружений, средств, потерпевших аварию. Для осуществления длительной маршрутной съёмки дна в заданном районе был создан АПА «СКАРУС» (рис. 3.2-4).
АПА «СКАРУС» предназначен для работ на глубинах до 4000 метров и был создан для выполнения маршрутной фотосъемки на сложных рельефах дна в районе рифтовых зон океана. Его габаритные размеры 3 м х 2,5 м х 1,4 м. Внешне АПА «СКАРУС» имеет плоскую в вертикальной плоскости эллипсоидную форму, что делает его хорошо маневренным в вертикальной плоскости. АПА имеет два маршевых движителя с гидромоторами и вертикальный движитель. Для маршрутной съёмки оборудован ТВ системой со светильниками и фотокамерой с запасом фотопленки на 3000 кадров.
