Беспилотный надводный аппарат - Unmanned surface vehicle

Британский RNMB Harrier в 2020 году, автономный корабль противоминной системы Atlas Elektronik ARCIMS

Демонстрация пассажирского USV в Хэмптоне, Вирджиния , США, январь 2009 г.

Беспилотные надводные корабли (USV; также известные как Беспилотные надводные суда (USV) или (в некоторых случаях) автономные надводные транспортные средства (ASV), беспилотные надводные суда (USV) или, в просторечии, беспилотные корабли ) - это лодки или корабли, которые работают на поверхности вода без экипажа. USV работают с различными уровнями автономности, от простого дистанционного управления до автономной навигации, совместимой с COLREG .

Нормативно-правовая база

Нормативно-правовая среда для операций USV быстро меняется по мере развития технологии и все чаще применяется в коммерческих проектах. Принципы поведения морских автономных надводных судов Великобритании и Кодекс практики 2020 (V4) были подготовлены Рабочей группой по регулированию автономных морских систем Великобритании (MASRWG) и опубликованы Maritime UK через Общество морской промышленности. Организации, внесшие вклад в разработку Кодекса практики MASS, включают Агентство морской и береговой охраны (MCA), Atlas Elektronik UK Ltd, AutoNaut, Fugro, Судоходную палату Великобритании , UKHO , Trinity House , Морской институт , Национальный центр океанографии , Dynautics. Limited, SEA-KIT International и многие другие.

В июле 2021 года SEA-KIT International стала первым конструктором и строителем USV, получившим сертификат беспилотных морских систем (UMS) от Lloyd's Register на свой 12-метровый USV X-класса. USV Maxlimer - это доказательство концепции судна X-класса SEA-KIT, базирующееся в их штаб-квартире в Толлесбери, Эссекс.

Разработка

Еще в конце Второй мировой войны дистанционно управляемые USV использовались для траления мин . С тех пор достижения в системах управления и навигационных технологиях USV привели к появлению USV, которыми оператор может управлять дистанционно (с земли или с близлежащего судна): USV, которые работают с частично автономным управлением, и USV (ASV), которые работают полностью автономно. Современные приложения и области исследований для USV и ASV включают коммерческое судоходство, мониторинг окружающей среды и климата, картографирование морского дна , пассажирские паромы , роботизированные исследования, наблюдение, инспекцию мостов и другой инфраструктуры, военные и военно-морские операции.

Платформы автономии USV

На рынке доступен ряд автономных платформ, специально предназначенных для операций USV. Некоторые из них привязаны к очень конкретным судам, в то время как другие достаточно гибки, чтобы применяться к различным корпусам, механическим и электрическим конфигурациям.

Контроль и эксплуатация

Проектирование и постройка беспилотных надводных судов (USV) является сложной и сложной задачей. Сотни решений, касающихся целей миссии, требований к полезной нагрузке, бюджета мощности, конструкции корпуса, систем связи, а также контроля и управления двигательной установкой, должны быть проанализированы и реализованы. Строители судов с экипажем часто полагаются на поставщиков силовых установок и контрольно-измерительных приборов, которые помогают экипажу управлять судном. В случае судна без экипажа (или с частично экипажем) строителю необходимо заменить элементы интерфейса человека удаленным интерфейсом человека.

Технические соображения

Надводные суда без экипажа различаются по размеру от менее 1 метра до 20+ метров, с водоизмещением от нескольких килограммов до многих тонн, поэтому силовые установки охватывают широкий диапазон уровней мощности, интерфейсов и технологий.

Типы интерфейсов (в широком смысле) в порядке размера / мощности:

• Электронные регуляторы скорости с ШИМ-управлением для простых электродвигателей
• Последовательная шина с использованием команд в кодировке ASCII
• Последовательная шина с использованием двоичных протоколов
• Аналоговые интерфейсы, которые можно найти на многих более крупных судах
• Собственные протоколы CANbus, используемые различными производителями двигателей
• Собственные протоколы CANbus, используемые производителями универсальных средств управления двигателем.

Хотя многие из этих протоколов содержат требования к двигательной установке, большинство из них не возвращают никакой информации о состоянии. Обратная связь о достигнутых оборотах может исходить от импульсов тахометра или от встроенных датчиков, которые генерируют CAN или последовательные данные. Могут быть установлены другие датчики, например, датчики тока на электродвигателях, которые могут указывать на подаваемую мощность. Безопасность - критическая проблема, особенно при высоких уровнях мощности, но даже небольшой гребной винт может вызвать повреждение или травму, и система управления должна быть разработана с учетом этого. Это особенно важно в протоколах передачи судов с необязательным экипажем.

Частая проблема, с которой сталкиваются при управлении USV, - это достижение плавного отклика от полного заднего хода до полного впереди. Суда с экипажем обычно имеют фиксирующее действие с широкой зоной нечувствительности вокруг места остановки. Чтобы добиться точного управления дифференциальным рулевым управлением, система управления должна компенсировать эту зону нечувствительности. Двигатели внутреннего сгорания, как правило, работают через коробку передач с неизбежным внезапным переключением при включении коробки передач, что система управления должна учитывать. Гидравлические форсунки являются исключением, так как они плавно проходят через нулевую точку. Электроприводы часто имеют аналогичную встроенную зону нечувствительности, поэтому снова необходимо разработать систему управления, чтобы сохранить это поведение для человека на борту, но сгладить его для автоматического управления, например, для маневрирования на низкой скорости и динамического позиционирования.

Океанография

USV, использованный в океанографических исследованиях, июнь 2011 г.

USV ценны в океанографии , поскольку они более эффективны, чем пришвартованные или дрейфующие метеорологические буи , но намного дешевле, чем эквивалентные метеорологические корабли и исследовательские суда , и более гибкие, чем вклад коммерческих судов . В частности, волновые планеры используют волновую энергию для первичного движения и, имея солнечные батареи для питания своей электроники, месяцами служат как для академических, так и для военно-морских применений.

Гидравлические USV - мощный инструмент для использования в гидрографических исследованиях . Использование небольшого USV параллельно с традиционными исследовательскими судами в качестве «умножителя силы» может удвоить охват исследования и сократить время нахождения на месте. Этот метод использовался для съемки, проводившейся в Беринговом море у Аляски; автономное наземное транспортное средство (ASV) ASV Global «C-Worker 5» собрало 2 275 морских миль, что составляет 44% от общего объема проекта. Это было первым для геодезической индустрии, в результате которого было сэкономлено 25 дней в море. В 2020 году британский USV Maxlimer завершил беспилотное обследование 1000 квадратных километров (390 квадратных миль) морского дна в Атлантическом океане к западу от Ла-Манша.

Военный

Военное применение USV включает в себя морские цели и поиск мин . В 2016 году DARPA запустило прототип противолодочного USV под названием Sea Hunter . Турецкая фирма Aselsan производила USV для ВМС Турции ; Высокоскоростные беспилотные надводные лодки-мишени ALBATROS-T и ALBATROS-K используются ВМС Турции . Турция также разработала первое отечественное вооруженное беспилотное надводное судно (AUSV) под названием ULAQ (AUSV) . Разработано Ares Shipyard , Meteksan Defense Systems и Roketsan . ULAQ (AUSV) вооружен 4x Roketsan Cirit и 2x UMTAS . Он успешно завершил свои первые огневые испытания 27 мая 2021 года. ULAQ может быть развернут с боевых кораблей. Им можно управлять дистанционно с мобильных транспортных средств, штабов, командных пунктов и плавучих платформ. Он будет служить в таких миссиях, как разведка, наблюдение и разведка, наземная война, асимметричная война, вооруженное сопровождение, защита сил и безопасность стратегических объектов. Генеральный директор Ares Shipyard говорит, что в стадии разработки находится гораздо больше различных версий ULAQ, оснащенных различным вооружением. Его основным пользователем будут ВМС Турции .

Груз

Ожидается, что в будущем многие беспилотные грузовые корабли будут пересекать воды.

Выращивание морских водорослей

Беспилотные наземные транспортные средства также могут помочь в выращивании морских водорослей и снизить эксплуатационные расходы.

Saildrone

Saildrone представляет собой тип беспилотного надводного транспортного средства используются в основном в океане для сбора данных. Парусники работают от ветра и солнца и оснащены набором научных датчиков и навигационных инструментов. Они могут следовать по набору дистанционно заданных путевых точек. Дрон был изобретен Ричардом Дженкинсом , британским инженером и авантюристом. Парусники использовались учеными и исследовательскими организациями, такими как Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA), для изучения морской экосистемы, рыболовства и погоды. В январе 2019 года небольшой флот парусников был спущен на воду, чтобы попытаться совершить первое автономное плавание вокруг Антарктиды. Один из парусников выполнил миссию, пройдя 12 500 миль (20 100 км) за семимесячный путь, собирая подробный набор данных с использованием бортовых приборов для мониторинга окружающей среды.

В августе 2019 года SD 1021 завершил самый быстрый беспилотный переход через Атлантический океан с Бермудских островов в Великобританию, а в октябре совершил обратный рейс, став первым автономным транспортным средством, пересекшим Атлантику в обоих направлениях. Университет штата Вашингтона и Saildrone компания начали совместное предприятие в 2019 году под названием Saildrone Pacific Сентинел Эксперимент, который позиционируется шесть saildrones вдоль западного побережья Соединенных Штатов , чтобы собрать атмосферные и океанические данные.

• 

  Морской дрон обнаружен в Датч-Харборе, Аляска , после арктических миссий NOAA в 2019 году.

Saildrone и NOAA развернули пять модифицированных судов класса ураганов в ключевых точках Атлантического океана до начала июньского сезона ураганов 2021 года . В сентябре SD 1045 находился на месте, чтобы получить видео и данные изнутри урагана Сэм . Это было первое исследовательское судно, которое когда-либо рискнуло оказаться в эпицентре сильного урагана .

Смотрите также

• Саморегулирующийся механизм
• Спартанский разведчик
• Ройная робототехника
• USV RSV (морские технологии)
• ULAQ (AUSV)

использованная литература