Подводные роботы на круглосуточном дежурстве защищают трубопроводы и кабели

Зачем нужны подводные роботы

Рост экономической активности в океане требует более регулярного мониторинга и инспекции подводной инфраструктуры и её окрестностей. Автономные подводные аппараты, способные следить за трубопроводами, кабелями и подводными установками, становятся всё важнее в условиях нестабильной глобальной безопасности. К тому же нам нужно больше знать о морском дне и самом океане.

Сейчас мониторинг и инспекции проводят крупные суда с сонарами для широких поверхностных сканирований или подводные аппараты, которые сопровождают корабли и управляются из контрольных комнат на материнском судне или на берегу. Обе системы требуют больших, дорогих надводных судов и множества людей. Аренда корабля с командой обходится очень дорого, а выбросы CO2 - значительны.

«Дом родной» на глубине 90 метров

Одна из альтернатив, которую сейчас разрабатывают, - автономные подводные роботы, способные работать на морском дне месяцами или годами без подъёма на поверхность или на берег.

Проект автономного подводного робота реализовали (слева направо) Гримсруд Вальдум, Леонард Гюнцель, Габриэле Каспаравичюте, Ай-Нхи Хоанг, Дженни Крокстад, Мд Шамин Йешер Йуша, Дана Ерболат и Абубакар Алию Бадави. На фото нет Мартина Людвигсена, Селила Йылмаза, Махмуда Хусейна Абдельразика. Исследователи дают представление о масштабе. Фото: NTNU

Профессор Мартин Людвигсен с кафедры морских технологий NTNU говорит: подводные роботы, работающие от стационарных баз на дне и не зависящие от дорогих надводных судов, сыграют ключевую роль в мониторинге, инспекции и защите растущей подводной инфраструктуры по всему миру.

Исследователи из NTNU успешно провели испытания автономного подводного аппарата (AUV) и док-станции на глубине 90 метров (295 футов). Без вмешательства человека робот осмотрел инфраструктуру, нашёл путь обратно к станции, подключился к ней, чтобы зарядить батареи и выгрузить собранные данные.

«Эти испытания - важные шаги к полностью автономной работе в течение длительного времени», - говорит Леонард Флориан Том Гюнцель, докторант-исследователь кафедры морских технологий NTNU. Он объясняет: мотивация разработки резидентных подводных аппаратов - снизить затраты и сделать технологию доступной для более широкого круга пользователей. Другая важная причина - безопасность моряков и защита окружающей среды.

Схематическое изображение программного обеспечения и системы управления подводным роботом. Фото: Леонард Гюнцель, NTNU

Проще и дешевле

Годами говорили о развёртывании AUV для почти постоянного присутствия вокруг нефтегазовых установок. Уже есть несколько крупных, продвинутых систем. Недавняя волна диверсий на инфраструктуре, линиях связи, силовых кабелях и трубопроводах только усилит спрос на более простые и доступные решения.

Чтобы добиться надёжных и недорогих решений, нужны дополнительные исследования и разработки. «Фундамент заложен, сделаны первые шаги к созданию и развёртыванию полноценных автономных подводных роботов с док-станцией для зарядки и передачи данных», - говорит Людвигсен.

Самые важные задачи - разработка прочных и долговечных систем стыковки. Кроме того, есть проблемы с автономностью, навигацией, стыковкой, связью и удержанием позиции, курса и направления под водой.

Робот Blueye создал это 3D-изображение док-станции на глубине 90 метров. Фото: NTNU

Робот Blueye

Для испытаний в NTNU использовали подводный аппарат Blueye X3. Он весит около 10 килограммов (22 фунта) и был специально доработан под конкретные задачи. В частности, робота оснастили камерой, сонаром, датчиками, оборудованием для связи, индукционным зарядным устройством и магнитной системой «швартовки».

Людвигсен и Гюнцель подчеркивают: этот тестовый робот дает NTNU платформу, которой могут пользоваться студенты, аспиранты и компании.

«Мы создали инструмент для дальнейшей разработки, тестирования и доводки технологий, которые в итоге можно будет коммерциализировать», - говорит Гюнцель.

Испытания в Тронхеймс-фьорде

Тесты проводились на базе существующей инфраструктуры NTNU в Тронхеймс-фьорде. Специально спроектированную док-станцию установили на глубине 90 метров (295 футов).

Подводный робот использует комбинацию акустической (1) и визуальной навигации (2) перед стыковкой для зарядки (3,4) и выгрузки собранных данных. Источник: NTNU

Чтобы робот мог найти док-станцию и правильно состыковаться, применяли целый набор технологий: низкоскоростную акустическую связь, навигацию, включая ультракороткобазисное позиционирование (USBL), и визуальные маркеры. Камеры с машинным зрением считывали и интерпретировали эти маркеры, направляя аппарат в док.

На коротких дистанциях роботом можно управлять удаленно и обмениваться данными через оптический модем. Док-станция соединена с береговым оборудованием кабелем - по нему идет питание и связь.

Как только аппарат встает на место, данные передаются по высокочастотной широкополосной связи, а сам аппарат заряжается индукционным способом. Такое оборудование в Норвегии уже разработали.

Пока что аппарат выходил в море дважды, в сумме отработав четыре недели. Система выполнила инспекционные миссии и добилась 90% успешных автономных стыковок. Но нужно выйти на стопроцентный результат, так что этой весной запланированы новые выходы.

«Стыковка - это критический момент. Без оператора последствия ошибок гораздо серьезнее. Если аппарат не найдет дорогу обратно к станции, его уже не вернуть», - поясняет Людвигсен.

Испытания на привязи

На суше или на поверхности моря навигация - дело простое: GPS и другие спутниковые системы дают доступ к данным о местоположении. Под водой так не получится.

Поэтому для расчета позиции и курса используют комбинацию нескольких методов: гироскопы и акселерометры (инерциальная навигационная система, INS), а также акустическую систему (доплеровский лаг, DVL). Навигационные системы требуют большой вычислительной мощности, а значит, потребляют много электроэнергии.

Испытания Blueye X3 проводили на привязи - для страховки. Будущие исследовательские запуски тоже будут с использованием страховочных тросов, пока не появится надежное автономное решение. Процесс может занять еще какое-то время, хотя искусственный интеллект помогает исследователям быстрее находить эффективные решения.

Одна из главных нерешенных задач - сделать робота полностью автономным. Чтобы он мог «понимать» и «думать», то есть принимать собственные решения на основе наблюдений за окружающей обстановкой. Испытания показали: рыбы, проплывающие перед камерой, сбивают с толку программу, которая обрабатывает изображения.

«Мы работаем над этой проблемой», - говорит Гюнцель.

До коммерции еще далеко

Людвигсен считает, что до коммерческого решения еще далеко, но смотрит в будущее с оптимизмом.

«Испытания показали, что это решение работает и операции повторяемы. Стационарные подводные аппараты - масштабируемое и экономически эффективное решение для подводного мониторинга», - резюмирует Людвигсен

Теги: AUV, Blueye X3, подводные роботы, мониторинг инфраструктуры, зарядная станция, NTNU