STUDIU MRS-01 Faza I

S. C. INSTITUTUL DE CERCETARE PROIECTARE SISTEME DE PRODUCŢIE S.A.

Cercetări privind realizarea

unui minirobot subacvatic pentru supravegherea şi inspectarea unor obiective de interes deosebit şi a platformelor marine din

apele teritoriale, împotriva acţiunilor teroriste

MRS – 01

STUDIU TEHNIC - Faza I -

MONITOR PROIECT DIRECTOR

DIRECŢIE CERCETARE–DEZVOLTARE

Col.dr.ing. Dr. ing.

Gabriel VLADU Ştefan CANTARAGIU

RESPONSABIL DE PROIECT

Ing.

Florimond POPESCU

SC ICPSP SA

Bucureşti

Cercetări privind realizarea unui minirobot subacvatic pentru supravegherea şi inspectarea unor obiective de interes deosebit şi a platformelor marine din apele teritoriale,

MRS-01

împotriva acţiunilor teroriste

2

CUPRINS STUDIU TEHNIC – Faza I

1. DENUMIREA ŞI DESTINAŢIA SISTEMULUI 1.1 Denumire şi acronim .................................................. 4 1.2 Destinaţie ................................................... 4 2. ANALIZA CERINŢELOR SISTEMULUI 2.1 Cerinţele sistemului ................................................... 4 2.1 Alocarea cerinţelor pe componente ale sistemului ................................................... 5 3. STADIUL TEHNIC ACTUAL 3.1 Introducere ................................................... 7 3.2 Categorii de roboţi subacvatici ................................................... 10 3.2.1 Roboţi subacvatici de mici dimensiuni ................................................... 10 3.2.2 Roboţi medii ................................................... 14 3.2.3 Roboţi mari ................................................... 15 3.2.4 Roboţi de foarte mare adâncime ................................................... 15 3.2.5 Sisteme tractate .................................................... 16 3.2.6 Vehicule pe şenile şi pluguri ................................................... 17 3.2.7 Vehicule submarine autonome ................................................... 18 3.3 Utilizări ale roboţilor subacvatici .................................................... 18 3.3.1 Avantaje ................................................... 21 3.3.2 Dezavantaje .................................................. 22 3.4 Minirobot – părţi componente ................................................... 23 3.5 Sistemul de propulsie ................................................... 24 3.5.1 Rezistanţa la înaintare ................................................... 24 3.5.2 Propulsoare ................................................... 25 3.5.3 Propulsoare cu electromotoare inelare .................................................. 29 3.5.4 Realizări pe plan intern .................................................. 31 3.5.5 Scheme de poziţionare a propulsoarelor .................................................. 32 3.6 Sistemul de supraveghere TV .................................................. 33 3.7 Senzori de navigaţie şi poziţionare ................................................. 37 3.7.1 Senzori de direcţie ................................................. 38 3.7.2 Senzori de adâncime ................................................. 40 3.7.3 Senzori de altitudine ................................................. 40 3.7.4 Senzori de poziţionare ................................................. 41 3.8 Flotabilitate – control şi balast .................................................. 41 3.8.1 Balastul ................................................. 42 3.9 Şasiul ................................................. 44 3.10 Telecomanda .................................................. 48 3.10.1 Teleoperarea în domeniul roboticii .................................................. 48 3.10.2 Domeniile de aplicare ale teleoperării; exemple ................................................. 49 3.10.3 Alte caracteristici prezente la produsele similare cercetate ....................................... 52

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


3

3.11 Cablul de legătură ................................................ 52 3.11.1 Cerinţe de putere ................................................ 53 3.11.2 Cerinţe de semnal-date ............................................... 53 3.11.3 Cerinţe de rezistenţă mecanică ............................................... 54 4. CONCLUZII ............................................... 55 5. BIBLIOGRAFIE ................................................ 57

Anexă : Tabel comparativ miniroboţi

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


4

1. DENUMIREA ŞI DESTINAŢIA PRODUSULUI

1.1 DENUMIRE ŞI ACRONIM

Denumire : Minirobot subacvatic pentru supravegherea şi inspectarea unor obiective de interes deosebit şi a platformelor marine din apele teritoriale, împotriva acţiunilor teroriste . Acronim : MRS – 01

1.2 DESTINAŢIE Cercetările care se vor desfăşura au ca scop realizarea unui minirobot subacvatic, telecomandat de la suprafată prin cablu , care să permită efectuarea următoarelor activităţi :

- imersia în zona stabilită de pe o construcţie fixă (pod , ponton , dig etc.) sau de pe un mijloc mobil (barcă , şalupă etc .) .

- deplasarea subacvatică, telecomandată prin cablu de la postul de comandă – pupitru de comandă şi control .

- inspectarea vizuală a zonei şi a detaliilor aferente prin deplasarea subacvatică în urma telecomenzilor de la operator , cu ajutorul sistemului TV în circuit închis (cameră subacvatică pe minirobot , monitor la operator în postul de comandă) .

- memorarea şi prelucrarea datelor video (imaginile transmise de camera TV amplasată pe minirobot) în postul de comandă pentru analiza ulterioară a activităţii de supraveghere sau post incident (obiect considerat periculos, avarie depistată etc.) şi pentru crearea unei baze de date privind traseul parcurs de minirobot .

2. ANALIZA CERINŢELOR SISTEMULUI 2.1 CERINŢELE SISTEMULUI Minirobotul subacvatic va avea o structură modulară având următoarele componente principale :

- modulul submersibil - sistemul de supraveghere TV - sistemul de iluminare - echipamentul de control şi telecomandă - post de comandă şi control - cablul de telecomandă şi recuperare - sistem de alimentare portabil

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


5

Modulul submersibil va fi flotabil şi va fi prevăzut cu posibilitatea de imersare şi manevrabilitate controlată . Manevrabilitatea pe verticală şi pe orizontală va permite evitarea obstacolelor descoperite de operator prin sistemul de supraveghere TV cu circuit închis.Un lest ataşat modulului submersibil va permite aruncarea acestuia pentru ieşire rapidă la suprafaţă în cazul deteriorării cablului de telecomandă, absenţa semnalelor de control sau pierderea alimentării (funcţia de autosalvare) . Modulul submersibil va fi alimentat de la postul de comandă printr-un cablu şi va fi prevăzut cu un acumulator de rezervă pentru alimentarea locală a circuitelor de comană a recuperării . Un senzor de proximitate ataşat modului submersibil va permite evitarea contactului cu un mediu solid, ajutând operatorul să deplaseze modulul numai în apă . Sistemul de supraveghere TV în circuit închis va cuprinde o cameră TV zi/noapte , cu iluminare în IR în condiţii de vizibilitate redusă , submersibilă şi un monitor TV în postul de telecomandă . Echipamentul de control şi telecomandă prelucrează semnalele de telecomandă primite prin cablu , de la pupitrul operatorului din postul de comandă, comandă propulsia şi controlează integritatea legăturii cu operatorul . Postul de comandă va fi echipat cu : - un pupitru pentru operator care, prin joystick-uri şi comutatoare, permite telecomanda modulului submersibil şi a camerei TV ; - echipament pentru memorare, prelucrare şi redare date video . 2.2 ALOCAREA CERINŢELOR PE COMPONENTE ALE SISTEMULUI Caracteristicile tehnico-tactice definite prin termenii de referinţă sunt următoarele : Modulul submersibil

- dimensiuni de gabarit (L x l x H) . . . . . . . . . . . . . . . . . max. 600 x 400 x 400 mm; - masa netă estimată . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20 kg ; - raza de acţiune. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 m; - adâncimea maximă de operare. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . min. 40 m; - abaterea în plan orizontal/verical faţă de adâncimea de operare ; . . . max.±0,5 m ; - viteza de deplasare pe orizontală . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . min. 2 noduri; - viteza de imersie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 - 8/min; - autonomie funcţională – valoare obiectiv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . min. 4 ore ;

- valoare prag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . min. 2 ore ; - alimentare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .în curent continuu ; - propulsie în apă . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .cu acţionare electrică .

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


6

Sistem de supraveghere TV în circuit închis

- cameră TV imersibilă . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . grad de protectie IP 68 5 BAR ; - senzor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . super HAD ; - sensibilitate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,3 lux ; - obiectiv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3,6 mm (92 °) ; - luminare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2-3 niveluri, cu LED-uri ; - distanţă minimă de observare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 m .

Sistem de iluminare – proiector în carcasă etanşă - cel puţin un proiector cu puterea de min. 50 W

Cablu de telecomandă şi recuperare – cu tambur pentru păstrare şi transport - lungime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . min. 100 m ;

Cablul va asigura îndeplinirea următoarelor funcţii : - alimentare ; - transmitere de date ;

- recuperare modul submersibil .

Produsul trebuie să funcţoneze şi să îndeplinească principalele activităţi în următoarele condiţii meteo – climatice : - mediul de lucru pentru imersie . . . . . . . . . . . . . . . . specific Mării Negre ; - temperatura maximă a apei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .+ 30°C ; - gradul de agitaţie al apei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .max . 2 ; - temperatura mediului ambiant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .- 5°C la + 50°C .

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


7

3.STADIU TEHNIC ACTUAL

3.1 INTRODUCERE

Roboţii subacvatici au apărut şi s-au dezvoltat în primul rând în S.U.A., de aceea şi definirea termenilor specifici a fost făcută în S.U.A. . Conform a două publicaţii nord-americane, “Operational Guidelines for ROVs”(1984) şi “Undersea Vehicles and National Needs”(1996), un vehicul subacvatic condus de la distanţă (ROV – Remotely Operated Vehicle) este un submersibil care permite operatorului să lucreze într-un condiţii confortabile în timp ce robotul lucrează la adâncime în condiţiile grele ale mediului. Sistemul complet al unui minirobot subacvatic se compune din robotul propriu-zis, un punct de comandă aflat la suprafaţă dotat cu pupitru de control şi sursă de curent şi legătura dintre ele care se face printr-un cablu numit şi cordon ombilical prin care trec tensiunea de alimentare, semnalele de comandă şi control către robot şi semnalele de la diverşi senzori către operatorul aflat la suprafaţă .

Ca mărime, robotul subacvatic variază de la vehicule mici, dotate cu camere video folosite doar pentru observare, până la sisteme de lucru complexe, prevazute cu mai multe manipulatoare, camere video, scule şi diverse alte echipamente.

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


8

Pentru roboţii de capacitate mare poate exista un suport cu loc de garare pentru robot şi un sistem automat de derulare/recuperare a cablului de legătură, acesta fiind coborât cu o macara de bord până aproape de locul de intervenţie . Sistemul de lansare prezentat în fotografie utilizează un cablu gros care rămâne în poziţie verticală, ceea ce permit ca manevrele submersibilului, controlat prin cordon ombilical subţire, să nu fie influenţate de valurile de la suprafaţă sau de curenţi. Astăzi tehnologia a evoluat suficient de mult ca să permită apariţia unor roboţi subacvatici autonomi (AUV), fără cordon ombilical, alimentaţi cu baterii .

Scurt istoric :Primul pas în înţelegerea orcărei tehnologii este să înţelegem de ce ea a apărut. În cazul vehiculelor acţionate de la distanţă răspunsul este simplu: nu există un mod mai economic, mai practic şi mai sigur de a acţiona în adâncul apelor. Istoria ne arată că oamenii au desfăşurat de secole diverse activităţi subacvatice, de la procurarea hranei la recuperarea şi salvarea diverselor obiecte. Primele încercări de a face mai uşoare scufundările datează de la mijlocul secolului XVI când se a apărut prima cască de scufundare din piele, legată de suprafaţă printr-un tub. De la această tehnologie primitivă şi pâna la recordul de scufundare simulată de 675 m din 1981 de la Universitatea Duke – SUA, am devenit martorii unei evoluţii incredibile in ceea ce priveşte posibilităţile umane de a lucra la adâncime. Recordul absolut de scufundare liberă este de 600m, iar activităţi practice au fost

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


9

desfăşurate la adâncimea maximă de 525 m, dar acestea sunt situaţii rare, care presupun un risc foarte ridicat şi nu sunt rentabile din punct de vedere economic. Pentru o scurtă perioadă de timp, submarinele pilotate au părut a fi soluţia cuceririi adâncurilor, dar ele prezentau aceleaşi dezavantaje ca şi scufundările hiperbare. În anii ’60 – ’70 se părea ca minisubmarinele vor permite lucrul la adâncimi mai mari şi pentru o perioada mai lungă, dar ele erau totuşi periculoase pentru echipaje şi aveau nevoie de nave-bază complexe. Erau greu de lansat şi de recuperat şi puteau opera un timp limitat la adâncimea de lucru, ceea ce la facea ineficiente din puct de vedere economic. Apariţia roboţilor subacvatici la mijlocul anilor ’70 a dus la înlocuirea minisubmarinelor şi trecerea lor la cercetare ştiinţifică sau în industria turismului. Primul robot, numit POODLE, a fost construit de cercetătorul şi scufundătorul francez Dimitri Rebikoff în 1953, dar prima încercare a fost făcută în Austria încă din 1864 prin torpila fabricată de firma Luppis-Whitehead numită PUV (Programmed Underwater Vehicle) – vehicul submarin programat.. Forţele Navale ale SUA au dezvoltat tehnologia la nivelul funcţional din necesitatea de a recupera muniţia folosită în timpul testelor şi probelor de mare. Vehiculele submarine comandate de la bordul navelor au devenit faimoase când un sistem CURV (Cable Controlled Underwater Vehicle) – vehicul submarin comandat prin cablu - a recuperat bomba atomică pierdută în largul coastelor la Palomares – Spania în urma unui accident aviatic în 1966 şi a salvat echipajul submarinului Pisces, scufundat în largul coastelor irlandeze în 1973, când mai avea aer doar pentru câteva minute. Următorul pas în dezvoltarea tehnologică a fost făcut de firmele comerciale care au văzut în vehiculele subacvatice sprijinul necesar pentru operaţiunile de exploatare petrolieră off-shore . Trecerea de la utilizarea militară spre domeniul civil a fost rapidă. Firme care au lucrat pentru armata şi-au folosit experienţa câştigată prin trecerea la producţie civilă (vezi International Submarine Engineering , Perry Oceanographic Ametek Strata) . Firmele de scafandrii ca Seaway – Norvegia, Martech- SUA şi Taylor Diving and Salvage – filiala a firmei Halliburton, au fost nerăbdătoare să-şi dezvolte afacerile având ca bază tehnologia militară. Pentru început au existat şi probleme: teste simple programate să dureze câteva zile, durau săptămâni. În momentul utilizării aparaturii, operatorii răsuflau uşuraţi dacă reuşeau să recupereze submersibilul şi erau de-a dreptul fericiţi dacă timpul efectiv de lucru ajungea la 4 ore din 24. Aceste începuturi modeste au pus baza actualei dezvoltări extraordinare a tehnologiei vehiculelor submersibile comandate de la distanţă. Astăzi roboţii subacvatici lucrează la adâncimi de până la 3.000 m îndeplinind diverse misiuni în cadrul exploatării petrolului offshore, ceea ce demonstrează că tehnologia a devenit eficientă şi economică. Ea permite diverselor organisme (de la securitate la instituţii de învăţământ) să folosească roboţi diversificaţi, de la micii roboţi de inspecţie la cei complecşi de cercetare la mare adâncime. Nu de mult se credea că ce a căzut în mare acolo rămâne, dar firmele Mitsui şi JAMSTEC din Japonia au schimbat această percepţie o dată cu dezvoltarea unui robot de foarte mare adâncime – KAITO. Acesta a ajuns, în 1995, la cea mai mare adâncime posibilă,10.911 m în Fosa Challenger din Groapa Marianelor . Un record ce poate fi egalat, dar niciodată depăşit .

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


10

3.2 CATEGORII DE ROBOŢI SUBACVATICI Roboţii subacvatici moderni pot fi clasificaţi după mai multe criterii[01] : mărime, adâncimea maximă de lucru, puterea instalată, dacă acţionările manipulatoarelor sunt electrice sau electro-hidraulice :

CLASA

ADÂNCIMEA DE LUCRU

UTILIZARE

PUTEREA (CP)

Miniroboţi (electrici)

Observare – până la 100 m

< 5

Roboţi mici şi medii

(electrici)

Observare – până la 300 m

< 10

Roboţi mari (electrici)

Observare/activităţi uşoare -

până la 3000 m

< 20

Roboţi de foarte mare adâncime (electrici)

Observare/cercetare – peste

3000 m

< 25

Roboţi medii (electro-

hidraulici)

Activităţi simple/complexe –

peste 2000 m

< 100

Roboţi mari (electro-hidrauluci)

Activităţi complexe/manipulează

sarcini mari – până la 3000 m

< 300

Roboţi de foarte mare

adâncime (electro-hidraulici)

Activităţi complexe/manipulează

sarcini mari – peste 3000 m

< 120

3.2.1 ROBOŢI SUBACVATICI DE MICI DIMENSIUNI

Roboţii subacvatici de mici dimensiuni cuprind în mare parte roboţi cu acţionare electrică, masa maximă 25 kg şi având o adâncime de lucru de maxim 300 m, cu preţ de cost scăzut (între 10.000 USD şi 100.000 USD). Ei sunt utilizaţi în special pentru inspecţie şi observare. Miniroboţii s-au dezvoltat foarte mult în ultimii ani datorită îmbunătăţirilor tehnologice survenite în acţionările electrice: motoare cu magneţi permanenţi de mare randament, sisteme de comanda şi control prin calculator, transmisia datelor şi semnalelor prin fibră optică . Acestea au dus la mărirea posibilităţilor, performanţelor şi adâncimii de lucru .

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


11

Miniroboţii sunt folosiţi în domenii foarte diverse : cercetarea ştiinţifică, inspecţie, salvare, controlul lucrărilor hidrotehnice (barage, poduri, diguri, conducte), verificarea centralelor nucleare, învăţământ, hobby .Câţiva roboţi reprezentativi pentru aceasta clasă sunt :

- AC-ROV SP50 (firma AC-CESS, Marea Britanie) [09] ;

- gama SCOUT , EXPLORER , PRO (firma VIDEORAY , S.U.A.) [20] ;

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


12

- ALBATROS ( firma ALBATROS , Spania) [10];

- gama GNOM – micro , standard , super (INDEL , RUSIA) [11] ;

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


13

- gama LBV 150-600 (firma SEABOTIX , S.U.A.) [06];

- SM 1000 ( firma SUB-FIND , S.U.A.) [14] ;

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


14

- OUTLAND 1000 ( firma OUTLAND TECHNOLOGY , S.U.A.) [05,21]

3.2.2 ROBOŢI MEDII (ELECTRO-HIDRAULICI) Această clasă de roboţi se referă la vehicule electro-hidraulice cu putere instalată de 20

CP – 100 CP , care pot transporta sarcini moderate şi au o capacitate limitată de ridicare . Ele au o masă de 1.000 kg – 2.200 kg , cu o capacitate de transport a unor sarcini cuprinse între 100 kg şi 200 kg , dar sunt şi roboţi care pot ransporta sarcini de 450 kg . În general sunt dotaţi cu un singur braţ manipulator , dar cei mai mari din această clasă pot fi dotaţi cu două braţe . Aceste vehicule fac parte din clasa cea mai utilizată, ei evoluând din simple camere video care

supravegheau activităţile scafandrilor sau executau inspecţii de rutină. Clasa de roboţi medii a fost dezvoltată din necesitatea de a executa diverse operaţiuni la mare adâncime, cu ajutorul braţelor manipulatoare în condiţii de curenţi submarini puternici . Vehiculele de acest tip s-au dovedit utile şi rezistente, astfel încât aparate cum este SCORPIO (poza alăturată) produs de firma PERRY TRITECH

sunt încă în exploatare . Ele execută lucrări în forajul de adâncime, construcţii hidrotehnice, inspectarea conductelor pozate pe fundul mării , activităţi de rutină sau de urgenţă oricând este cazul .

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


15

Aparatele din noua generaţie – de exemplu VIPER – au implementate ultimile dezvoltări tehnologice astfel că la aceeaşi putere ca şi cele din generaţia mai veche sunt mai eficiente şi mai sigure în exploatare . Majoritatea au limita de lucru de 1.000 m datorită faptului că mare parte din exploatările petroliere nu au depăşit această adâncime , dar pot lucra în curenţi care depăşesc viteza 3 nd, au motoare cu putere mai mare de 75 CP şi pot transporta sarcini mai mari ca roboţii pe care i-au înlocuit .

3.2.3 ROBOŢI MARI (ELECTRO-HIDRAULICI)

Aceşti roboţi depăşesc în greutate, adâncime de lucru şi putere restul roboţilor folosiţi în activităţi subacvatice . Ei lucrează la 2.500 m, au între 100 CP şi 250 CP, cântăresc peste 5.000 kg . Robotul TRITON al firmei PERRY TRITECH are greutatea de 2 t – 6,5 t în funcţie de varianta constructivă şi echipamentele de lucru Roboţii sunt capabili să execute lucrări de montaj la mare adâncime, să transporte o mare varietate de scule şi sisteme de intervenţie, să ridice obiecte de greutate mare, fiind adevărate utilaje de forţă în condiţii dificile de lucru . Echipat cu toate dispozitivele necesare, un

asemenea robot poate avea o înălţime de 2,4 m . Astăzi lucrările de explorare se extind dincolo de 3.500 m adâncime, iar instalaţiile de producţie funcţionează la peste 1.800 m, astfel că a fost necesară dezvoltarea unei noi clase de roboţi apţi să lucreze la adâncimi de peste 3.000 m . Aceste vehicule au aceeaşi putere şi capacitate de transport ca generaţia anterioară, dar au gabarite mai mici şi cablul ombilical de diametru mai mic, lucru este obţinut prin implementarea noilor tehnologii din construcţia propulsoarelor .

3.2.4 ROBOŢI DE FOARTE MARE ADÂNCIME Această clasă de vehicule este reprezentată de roboţii care pot ajunge şi depăşi adâncimea de 4.000m . Ele au putere cât mai mică pentru a reduce la minimum diametrul cablului ombilical, deci şi rezistenţa la înaintare, fiind destinate în special misiunilor de cercetare la mare adâncime, căutare şi salvare . Pentru aceste misiuni, robotul nu are nevoie de putere mare nici pentru misiuni de observare, nici pentru misiuni de salvare în care trebuie să ataşeze un cablu de obiectul vizat .

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


16

Un robot destinat cercetării la mare adâncime este TIBURON , produs Institutul de Cercetare din Monterey – California . El a ajutat oamenii de ştiinţă să studieze viaţa din adâncuri pentru perioade îndelungate de timp . Alte sisteme de foarte mare adâncime au fost dezvoltate de forţele armate, datorită apariţiei diverselor misiuni specifice, inclusiv cele de cautare şi recuperare a obiectelor de interes militar. Forţele navale americane au primit misiuni în care trebuiau folosite submarine fără echipaj şi odată cu acestea şi fondurile necesare cercetării

şi dezvoltării unor asemenea aparate. Tehnologiile dezvoltate în urma programelor militare au fost transferate industriei civile, care în cooperare U.S. NAVY au construit submersibile care au atins în 1990 adâncimi de 6.128m (robotul CURV III) şi de 6.279 m (ATV – Advanced Tethered Vehicle) . Recordurile stabilite in S.U.A. au fost depăşite în scurt timp de Japonia cu o serie de vehicule al căror exponent a devenit KAIKO prin scufundarea în Groapa Marianelor la adâncimea record de 10.911,4 m în anul 1995 . Sisteme de roboţi de mare adâncime au fost construite în mai multe ţări cu activităţi în acest domeniu : VICTOR 6000 (IFREMER , Franţa) , ROPOS (ISE , Canada) , RTM 6000 (OKEANGEOFIZIKA , Rusia) , HIROV 3500 (HITEC SUBSEA AS , Norvegia) . 3.2.5 SISTEME TRACTATE Această clasă de vehicule reprezintă un număr foarte mare de sisteme care sunt remorcate de nave sau şalupe, îndeplinind sarcini diverse. Vehiculele sunt lansate de la bordul navelor şi coborâte la adâncimea de lucru prin varierea lungimii cablului de remorcaj. În funcţie de adâncimea de lucru vehiculele sunt mai uşoare sau mai grele (cu atât mai grele cu cât adâncimea dorită este mai mare), iar cablurile sunt de oţel, legătura pentru senzori şi camere video fiind realizată cu fibre optice . O aplicaţie tipică pentru astfel de vehicule este strângerea de date oceanografice (compoziţia chimică, nivelul de oxigen, pH, cantitatea de clorofilă sau plancton etc.). Alte vehicule sunt proiectete pentru a localiza conductele sau cablurile, fie îngropate, fie aşezate pe fundul mării. Ele sunt dotate cu magnetometre sau diverse aparate care permit localizarea obiectelor metalice. Cel mai des, vehiculele tractate sunt utilizate pentru cercetare şi supraveghere, fiind utilizate în cartografierea fundului mării, cercetare şi salvare, supravegherea conductelor sau mediului etc. Pentru îndeplinirea sarcinilor sunt folosite camer video, sonare, sonde Doppler, magnetometre, telemetre laser . Un reprezentant renumit al acestei clase de vehicule este ARGO, de la Institutul Oceanografic Woods Hold, care a descoperit pe fundul Oceanului Atlantic epava pachebotului TITANIC, scufundat în ziua de 15 aprilie 1912 .

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


17

3.2.6 VEHICULE PE ŞENILE ŞI PLUGURI

În mod normal, roboţii subacvatici cu şenile sunt vehicule tractate. La început ele au fost folosite la pozarea şi îngroparea cablurilor . GATOR (poza de sus), produs de firma PERRY TRITECH [04], este dotat cu patru dispozitive destinate îngropării cablurilor : - aparat cu jet de apă ; - sapă pentru şanţuri cu cupe ; - plug ; - sapă cu role. Aceste dispozitive se folosesc în funcţie de natura fundului în care se sapă şanţul . In general sistemele sunt comandate de la distanţă, dar există sisteme care sunt conduse la faţa locului de către scafandrii. Vehiculele pe şenile se mai folosesc la pregătirea suprafeţelor pe care se pozează

conductele sau în operaţii de dragare. Plugurile reprezinţa o altă clasă de vehicule care au devenit tot mai complexe în ultimii ani. De forme şi mărimi diferite , ele cântaresc pâna la 80 t, rezistă la forţe de tracţiune de pâna la 250 t şi au adâncimea de lucru de pâna la 1.500 m . Configuraţia plugurilor depinde de tipul de sol în care sunt utilizate . Echipamentul prezentat în poza din stânga este produs de firma Soil Machine Dynamics şi dă o idee despre dimensiunile unor astfel de

tem

se folosec jeturi de apă şi brăzdare. Unele pluguri folosesc combinarea celor două metode, iar

sis e . Pescuitul este principala cauză în ruperea cablurilor de telecomunicaţii. Deoarece adâncimile la care se pescuieşte au crescut la 2.000 m, sunt necesare utilaje care să sape şanţuri şi să îngroape cabluri la adâncimi mai mari decât cela atinse în prezent. Pentru săparea şanţurilor

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


18

brăzdarele pot fi înlocuite cu discuri. Există pluguri speciale care se folosesc pentru umplerea şanţurilor săpate de alte pluguri . 3.2.7 VEHICULE SUBMARINE AUTONOME ( FĂRĂ CABLU )

Vehiculele submarine autonome - AUV ( Autonomous Underwater Vehicle ) – au început să se dezvolte începând cu anii ’60. La început au fost prea mari , prea scumpe şi ineficiente. Ele au fost depăşite de roboţii comandaţi prin cablu, a căror tehnologie s-a maturizat în anii ’80.În plus, roboţii avantajul că au “creier”(operatorul uman) legat de “muşchi” (sistemul electro-hidraulic) printr-un “sistem nervos” (cablul ombilical) . Sistemele autonome trebuie să-şi transporte “inteligenţa” în interior, o cerinţă greu de îndeplinit până în anii ’80 când au apărut microprocesoarele şi când s-a dezvoltat tehnologia computerelor şi a acumulatorilor. În prezent sunt operaţionale peste 60 de modele în cel puţin 12 ţări, unele ţări cumpărând

vehiculele de la alţi producători (de exemplu Republica Coreea şi China care au cumpărat roboţi subacvatici din Rusia). În Europa au apărut consorţii care au împărţit costurile cercetării şi dezvoltării – de exemplu MAST şi NERC pentru roboţii SIRENE şi AUTOSUB . În S.U.A., necesitatea de a avea roboţi de cercetare anti-mină a dus la investiţii de sute de milioane de dolari, firme diferite oferind o gamă largă de vehicule submarine autonome de dimensiuni diferite şi cu destinaţii multiple. Aceste vehicule au intrat şi în atenţia JPL – Jet Propulsion Laboratory, pentru studierea mediilor acvatice de pe alte planete sau sateliţi . În viitor se prevede ca oceanele şi mările globului să fie străbătute non-stop de roboţi autonomi care să strângă date diverse pentru o multitudine de aplicaţii . 3.3 UTILIZĂRI ALE ROBOŢILOR SUBACVATICI

La începutul utilizării practice roboţilor subacvatici, operatorul era mulţumit să-şi recupereze aparatul indiferent de ce realizase în misiune. De atunci problemele de fiabilitate ale vehicule au fost rezolvate, ele devenind foarte sigure în exploatare, atât în mediul marin cât şi în ape interioare, pentru beneficiari particulari, armata sau cercetare ştiinţifică. De la simple misiuni de observare, complexitatea misiunilor a crescut ajungând la inspecţii în centrale nucleare sau reparaţii ale sistemelor de exploatare petroliere de mare adâncime. În general, roboţii subacvatici îndeplinesc următoarele sarcini :

- Supravegherea scafandrilor – acţionează ca însoţitor şi asigură că misiunea se desfăşoară în siguranţă; asigură asistenţă .

- Inspectarea platformelor petroliere – inspectare vizuală sau folosirea de instrumente şi dispozitive pentru controlul coroziunii, defectelor, acţiunii organismelor marine,

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


19

poluare etc . - Verificarea conductelor – verifică conductele de pe fundul apei controlând dacă

există scurgeri, verifică starea generală a conductelor şi a învelişului de protecţie . - Cercetare – atât cercetarea vizuală cât şi acustică sunt necesare înainte de începerea

instalării de conducte, cabluri, sau aparatură . - Foraj marin – inspectare video, controlul instalării platformei, asistenţă şi reparaţii cu

ajutorul diferitelor manipulatoare . - Construcţii subacvatice –sarcini complexe în care se folosesc manipulatoare, scule

acţionate hidraulic şi diverse dispozitive . - Înlăturarea deşeurilor – platformele marine au devenit surse de poluare cu diverse

deşeuri. Roboţii asigură îndepărtarea lor sigură şi ieftină, menţinând zona de operaţiuni curată şi sigură .

- Curăţarea platformelor – una din sarcinile cele mai complexe; se folosesc manipulatoare şi ventuze pentru poziţionare, perii, jeturi de apă şi alte dispozitive pentru curăţarea suprafeţelor. Puterea instalată ajunge la 100 CP .

- Sisteme de telecomunicaţii – inspectare, îngropare, reparaţii - de la pluguri tractate care sapă şanţuri şi îngroapă cablurile, până la vehicule complexe care detectează cablurile îngropate, urmează traseul de pozare, dezgroapă şi reîngroapă cablurile de telecomunicaţii .

- Inspecţii vamale – verificarea exterioară a corpului navei, atancurilor de apă sau combustibil, împotriva contrabandei .

- Localizare şi recuperare – roboţii subacvatici intrat în atenţia publicului mai ales datorită utilizării lor în cercetarea catastrofelor aviatice şi a exploziei navetei spaţiale Challenger din 1986. Căutarea, localizarea şi recuperarea au devenit operaţiuni de rutină .

Un domeniu în care roboţii au înlocuit în mare parte scafandrii, este cel al inspecţiilor corpului navei în cadrul verificărilor de Registru sau al cercetării unor incidente – avarii . Procedura tipică de verificare începe la mijlocul navei prin lansarea robotului, se verifică linia de plutire mergând spre prova, apoi se continua la fundul navei dinspre prova spre pupa. Se verifică starea bordajului, depunerile de vegetaţie, zincurile navei, prizele de fund, cârma şi elicea sau orice este necesar . În afară de aplicaţiile civile, roboţii subacvatici au o largă utilizare militară. Aplicaţiile militare ale roboţilor subacvatici au constituit punctul de plecare în dezvoltarea tehnologiilor necesare apariţiei acestui tip de vehicule, în special în S.U.A. Aceste vehicule au apărut din necesitatea supravegherii mediului subacvatic şi a recuperării diverselor obiecte de pe fundul mării. Tehnologiile s-au dezvoltat continuu şi au dus la dezvoltarea unor vehicule mai complexe, mai sigure, capabile să execute misiuni complicate, dar acestea au devenit şi foarte scumpe . Acest fapt a încetinit implementare acestor tehnologii foarte avansate, iar schimbările din climatul politic din ultimii ani a dus la schimbarea priorităţilor şi a nevoilor armatei pentru vehiculele subacvatice, conduse de la distanţă sau autonome . Multe din utilizările iniţiale ale vehiculelor subacvatice telecomandate au fost în domeniul neutralizării minelor marine, unde pierderea unui robot teleghidat era preferabilă pierderii unei nave sau a unui scafandru. Ulterior, programele de cercetare s-au axat, în special, pe dezvoltarea tehnologiilor de căutare şi recuperare a obiectelor aflate la mari adâncimi - 6.000 m – deoarece această adâncime cuprinde 98% din fundul Ocenului Planetar, iar armata S.U.A. era în competiţie cu forţele armate ale U.R.S.S., văzute ca ameninţarea principală a securităţii statului .

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


20

Dacă în timpul Războiului Rece nu se ştia mare lucru despre programul de submersibile telecomandate ale U.R.S.S., după 1990 au apărut date ample despre interesul Marinei Militare Ruse pentru adâncurile marine şi vehiculele rezultate din dezvoltarea tehnologiilor aferente. În diverse conferinţe internaţionale au fost prezentate o multitudine de aparate, cum ar fi submersibilul autonom MT 88 al Institutului de Cercetări Marine din Vladivostok (poza din stânga) . Chiar dacă liderii mondiali în cercetările marine efectuate cu roboţi subacvatici au rămas S.U.A. şi Rusia, nici ţările europene nu au neglijat acest aspect al cercetării mediului marin. Sprijinite iniţial de transferul de tehnologie americană, cercetările europene s-au axat pe producţia de roboţi necesari exploatărilor petroliere şi de gaze naturale de pe platoul continental. O dată cu producţia acestor roboţi a fost dezvoltată şi tehnologia necesară roboţilor anti-mină. Rând pe rând au fost produşi mai mulţi roboţi dedicaţi aplicaţiilor militare :

- PAP – Franţa (poza din stânga)

- PLUTO – Elveţia

- PINGUIN – Germania

- EAGLES – Suedia

În ultimii ani cerinţele în domeniu

roboţilor subacvatici au fost modificate de doua evenimente majore : primul a fost terminarea războiului rece, al doilea a fost recrudescenţa terorismului şi extinderea ameninţărilor la nivel global. Echipamentele de detectare şi distrugere a minelor au devenit importante nu numai pentru navele de suprafaţă, dar şi pentru submarine . În viitoarele acţiuni militare, unde mobilitatea este un factor esenţial, asigurarea unor căi navigabile lipsite de pericole este o necesitate imperativă . Subiecte considerate mai demult ca strict secrete - lansarea roboţilor subacvatici de la bordul submarinelor aflate în imersie – au ajuns să fie prezentate în mod liber pe internet. Roboţii subacvatici echipaţi corespunzător au devenit prelungiri ale senzorilor submarinelor, acoperind o zonă mai mare, asigurând protecţia necesară desfăşurării acţiunilor de luptă. Dacă în anii ’80 roboţii telecomandaţi s-au dezvoltat pornind de la tehnologii militare spre domeniul civil, acum asistăm la mişcarea inversă, roboţi ieftini dezvoltaţi în centrele universitare şi utilizaţi în industria petrolieră sunt adaptaţi cerinţelor militare fiind utilizaţi în strângerea de informaţii, cercetare operativă, acţiuni anti-mină şi multe altele .

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


21

Alte domenii : Roboţii subacvatici sunt intens utilizaţi în cercetarea ştiinţifică a mediului marin şi a viaţii marine din zone diverse. Operatorul se află într-un loc confortabil, astfel că oboseala nu este un factor determinant în durata explorărilor. Pot fi cercetate pe perioade mari de timp organismele marine şi pot fi monitorizate condiţiile de mediu, astfel încât cunoştinţele de biologie şi ecologie a habitatelor de marine cresc de la o zi la alta. Chiar dacă majoritatea cercetătorilor preferă minisubmarinele cu echipaj, sunt multe zone foarte accidentate unde nu se poate ajunge decât cu miniroboţi pentru a face fotografii sau a lua probe minerale şi biologice . Roboţii subacvatici mai sunt folosiţi la plasarea aparatelor de măsură şi înregistrare la locul dorit şi la recuperarea lor, experimente la faţa locului, studii ecologice, supravegherea parametrilor de mediu .

În apele interioare, roboţii subacvatici sunt folosiţi în principal în următoarele domenii : - Inspectarea piciarelor de pod ; - Inspectarea barajelor şi digurilor ; - Inspectarea prizelor de aducţiune pentru centralele hidroelectrice ; - Supravegherea populaţiilor de peşte , crustacee etc. ; - Supravegherea populaţiilor de midii care produc obturarea canalelor şi prizelor de apă

pentru diferite utilizări ; - Verificarea , curăţirea şi supravegherea rezervoarelor şi tancurilor de apă potabilă ; - Inspectarea conductelor de apă ; - Recuperarea obiectelor pierdute ; - Salvări de ambarcaţiuni ; - Arheologie ; - Recuperarea de probe pentru medicina legală ; - Inspectarea reactoarelor nucleare ; - Speologie . Faţă de utilizarea roboţilor în mediul marin, utilizarea lor în apele interioare presupune un

mijloc de transport auto combinat cu o ambarcaţiune care să ducă robotul cât mai aproape de locul de cercetat. Evident că în mediul marin mijlocul naval de transport este implicit .

Utilizarea roboţilor subacvatici prezintă avantage şi dezavantaje . 3.3.1 AVANTAJE - Mobilitatea – transport aerian sau terestru oriunde în lume ; - Personal necesar redus – majoritatea sistemelor sunt concepute să fie operate de un

om sau de doi opameni ; - Pot fi lansate de pe orice navă – condiţia esenţială este existenţa unei surse de curent ,

în general curent alternativ . Navele mici sunt preferabile celor mari datorită mobilităţii sporite . Roboţii pot fi lansaţi de pe cheu şi chiar de pe suprafaţa gheţii.

- Foarte manevrabili – mişcările controlate pe cele trei axe de libertate în diverse combinaţii necesare , viteze variabile . Pot să staţioneze la punct fix în condiţii de curenţi submarini ;

- Timpul de scufundare este limitat doar de razistenţa la oboseală a operatorului. În general timpul de scufundare este limitat la 4 ore pentru a preveni apariţia oboselii

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


22

operatorului. Pilotarea aparatului cere o concentrare totală şi continuă. Un avantaj îl constituie lucrul în ture cu mai mulţi operatori .

- Robotul poate funcţiona în regim de flotabilitate uşor pozitivă, sau în regim de flotabiliatate negativă, în funcţie de obiectivele misiunii. Dacă e nevoie de mobilitate maximă este util regimul de flotabilitate uşor pozitivă. Dacă se operează în zone de curenţi puternici sau la adâncimi mari este mai bun regimul de flotabiliate negativă .

3.3.2 DEZAVANTAJE - Necesită întreţinere atentă şi constantă – apa de mare afectează echipamentele

electronice. Componentele mecanice sunt uşor de întreţinut, dar parte electrică necesită cunoştinţe avansate de specialitate. De aceea, în majoritatea cazurilor sunt asigurate placile electronice care pot fi înlocuite rapid la locul de operare ;

- Sunt afectate de starea de agitaţie a mării şi de curenţii de suprafaţă sau de adâncime-curenţii afectează mobilitatea. Ei acţionază mai mult asupra cordonului ombilical decât asupra robotului însuşi. Funcţionarea în regim de flotabilitate negativă contracarează efectul curenţilor asupra cordonului ombilical. Robotul nu poate funcţiona în curenţi care depăşesc viteza de 2 noduri. Starea (gradul) mării afectează mai ales lansarea şi recuperarea robotului. Pe mare agitată aceasta este activitatea cea mai periculoasă pentru robot şi personalul de pe punte. Starea mării afecteză şi manevrabilitatea navei de sprijin.

- Agăţarea cordonului ombilical – este cauza majoră în pierderea roboţilor. De cele mai multe ori cablul este cel ce se agaţă şi nu robotul . Acest lucru este valabil mai ales pentru cordoane ombilicale care nu plutesc şi care se târesc pe fundul apei. Apariţia cordoanelor cu flotabilitate 0 (zero), a tamburilor de rulare-derulare automată au redus pericolul de agăţare. Instruirea corespunzătoare a personalului reduce şi mai mult riscul pierderii robotului. Operatorul trebuie să “simtă” continuu modul în care se comportă cordonul ombilical sub influenţa condiţiile mediului acvatic .

- Capacitate de transport redusă – sarcinile transportate sunt mici, pentru sarcini mai mari trebuie adăugate flotoare şi reechilibrat aparatul. Flotoarele nu trebuie să marească excesiv rezistenţa la înaintare şi trebuie confecţionate din materiale care nu se deformează cu schimbarea de adâncime/presiune .

- Vederea bidimensională şi lipsa vederii periferice – imaginile obiectelor nu sunt tridimensionale şi e greu de apreciat mărimea obiectelor vizate şi distanţa pâna la ele . Un marcator laser care dă o dimensiune standard şi o scală de măsură înlătură în mare parte acest neajuns. Experienţa operatorului este de asemenea un avantaj major. Lipsa vederii periferice face ca operatorul să rateze obiectul vizat chiar dacă e lângă el . Pentru a contracara această problemă, operatorul foloseşte vederea panoramică de la distanţă (dacă condiţiile de vizibilitate o permit) sau posibilitatea de panoramare oferită de dotarea robotului cu mecanism pan/tilt .

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


23

3.4 MINIROBOT – PĂRŢI COMPONENTE Minirobotul subacvatic este un complex de subsisteme care, funcţionând sinergetic, asigură îndeplinirea unor misiuni diverse ca scop şi complexitate . El este compus din patru părţi principale :

1. Vehiculul ; 2. Consola (pupitrul) de comandă şi control ; 3. Cablul de legătură (cordonul ombilical) cu tamburul de depozitare ; 4. Sursa de energie . 1. VEHICULUL este compus din următorele subansamble:

a. Sistemul de propulsie – asigură deplasarea în spaţiu pe direcţiile înainte-înapoi ,

sus-jo , stânga-dreapta ; b. Sistemul video şi de iluminare – asigură observarea mediului şi a obiectelor ţintă , în

condiţii diferite de luminozitat , în spectrul color sau alb-negru ; c. Sistemul de senzori – necesar pentru orientare vehicului şi monitorizarea evoluţiei

lui; cuprinde senzori de direcţie (girocompas), de distanţă şi adâncime (sondă Doppler, senzori de presiune), senzori de umiditate pentru compartimentul etanş .

d. Flotorul – asigură plutirea vehiculului ; poate fi un subansamblu separat, sau rolul lui poate fi preluat de un compartiment etanş ; e. Şasiul – asigură rezistenţa întregului ansamblu ; poate fi un subansamblu de sine

stătător sau poate fi format din compartimentul etanş în care se introduc aparatele şi componentele electronice.

2. CONSOLA (PUPITRUL) DE COMANDĂ ŞI CONTROL asigură urmărirea parametrilor deplasării (direcţie, adâncime). Parametrii pot fi afişaţi pe monitorul camerei video simultan cu imaginea transmisă de cameră. De aici se comandă evoluţia vehiculului prin comutatoare sau joy-stick-uri. Pupitrul poate fi construit special sau poate fi suplinit de un laptop şi un panou de comandă. Tot sistemul esta introdus într-o carcasă etanşă care asigură şi transportul . 3. CABLUL DE LEGĂTURĂ este un cablu compus din mai multe conductoare care asigură alimentarea cu energie a vehiculului, transmite semnalele de comandă de la pupitru la vehicul şi semnalele de la senzori (analogice şi/sau digitale) la pupitru. Prin structura sa, este rezistant la tracţiune astfel încât poate fi utilizat la recuperarea robotului. 4. SURSA DE ENERGIE – asigură alimentarea subansamblelor cu tensiunea necesară . Poate fi compusă dintr-o baterie de acumulatori sau un grup electrogen care furnizează curent cuntinuu sau curent alternativ .

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


24

Aceste sisteme sunt în strânsă interdependenţă, influenţându-se unele pe altele Astfel, dacă la un moment dat, datele de proiectare se modifică (de exemlu este nevoie de o viteză mai mare de evoluţie datorită faptului că robotul va lucra într-un mediu cu curenţi), nevoia de viteză mai mare va duce la creşterea consumului de energie şi va determina o schimbare a caracteristicilor sistemului de propulsie. În plus , configuraţia, structura, greutatea, sistemul de control, marimea cordonului ombilical şi a tamburului de depozitare ca şi sursa de energie vor suferi modificări .

3.5 SISTEMUL DE PROPULSIE 3.5.1 REZISTENŢA LA ÎNAINTARE

Viteza pe care minirobotul o poate atinge este în funcţie de puterea instalată şi de rezistanţa la înaintare dată de vehicul şi cordonul ombilical . Conform Marine Technology Society, Remotely Operated Vehicle Committee, rezistenţa la înaintare ( DRAG ) se poate calcula cu formula :

Drag = 1/2 x s AV² Cd

unde :

s = densitaea apei de mare/acceleraţia gravitaţională

Densitatea apei de mare = 1.025 kg/m³ Acceleraţia gravitaţională = 9,81 m/s² A = Suprafaţa caracteristică pe care Cd este adimensional. Pentru submersibil, ea este aria secţiunii transversale a corpului sau volumul vehiculului împărţit la 2/3 din puterea instalată. Pentru cordonul ombilical, este diametrul cablului (în inci) împărţit la de 12 ori lungimea lui situată perpendicular pe direcţia de înaintare. Pentru navele de suprafaţă, este suprafaţa aflată în apă (opera vie) . V = viteza masurată în metri pe secundă (1 nod = 0,51 m/s) Cd = un coeficient de rezistenţă adimensional. Pentru majoritatea navelor, Cd este cuprins între 0,8 şi 1, în funcţie de aria secţunii transversale .

Pentru cabluri , în funcţie de forma învelişului, Cd are următoarele valori : - 1,2 pentru cablurile cu secţiune circulară ; - între 0,5 şi 0,6 pentru cablurile cu înveliş de turbulenţă redusă ; - între 0,1 şi 0,2 pentru cablurile cu înveliş cu profil hidrodinamic. Puterea consumată pentru a învinge rezistenţa la înaintare la o viteză dată V, este

Drag x V P =

370

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


25

unde 370 este o constantă, care transformă metri/kilograme/secunde în cai-putere. Astfel, puterea este proporţională cu cubul vitezei (să reamintim că rezistanţa la înaintare este proporţională cu pătratul vitezei). Sau mai simplu spus, pentru că puterea absorbită este proporţională cu viteza la puterea a treia, pentru a creşte viteza de la 2nd la 3nd, un vehicul va avea nevoie de (3/2)³ = 3,4 ori mai multă putere. Aceasta înseamnă că, dacă raportul putere/greutate este constant, sistemul de propulsie a unui vehicul cu viteza de 3nd va cântări de 3,4 ori mai mult decât cel al unui vehicul cu viteza de 2nd. Acesta nu este cu totul adevărat deoarece componentele sistemului de propulsie sunt mici şi nu au o creştere în greutate ca cea descrisă mai înainte. Oricum, este clar că o cerere pentru viteză mai mare are un efect dramatic asupra puterii, care, la rândul ei, are acelaşi efect asupra greutăţii sistemului de propulsie. In mod normal se acceptă că se obţine o forţă de împingere de 15,9-18,1 kg pentru fiecare cal-putere disponibil .

Rezistenţa datorată vehiculului este doar o parte a problemei deoarece în sistemul vehicul–cablu de legătură o influenţă majoră o exercită cablul. Acest fapt poate fi foarte bine ilustrat prin exemplificarea unui sistem vehicul-cablu:

Drag = 1/2 s Av V² Cdv + 1/2 s Au Vu² Cdu (v = vehicul; u = cordon ombilical) Să presupunem că vehiculul se deplasează în apă cu viteza de 1nd (1,85 km/h) la adâncimea de 300m, comandat de pe o şalupă. Să presupunem în continuare că poziţia în apă a cordonului ombilical este perfect verticală, între un flotor aflat capătul de la suprafaţă şi un balast aflat la celălalt capăt. Să mai presupunem ca rezistanţa opusă de porţiunile de cablu aflate între şalupă şi flotor şi între balast şi vehicul este neglijabilă. Dacă :

- diametrul cordonului ombilical = 2,5 cm - aria secţiunii frontale = 1,5 m² Atunci :

Rezistenţa la înaintare a vehiculului =1/2 x 1.025/9,81 x 1,5 x 0,51² x 0,8 = 16,3kg Rezistenţa la înaintare a cordonului =1/2 x 1.025/9,81 x 0,025 x 300 x 0,51² x 1,2 = 122 kg

Acest exemplu ne arată cât de importante sunt caracteristicile cordonului ombilical în

performanţele unui minirobot şi, totodată, faptul că îmbunătăţirile în geometria vehiculului nu se regăsesc în îmbunătăţiri semnificative ale performanţelor .

3.5.2 PROPULSOARE

Sistemele de propulsie ale roboţilor subacvatici sunt de două feluri : electrice şi electro-hidraulice . Sistemele electrice se folosesc în cazul miniroboţilor şi a roboţilor în care greutatea se cere a fi cât mai mică. Ele se caracterizează prin simplitate, greutate redusă, flexibiliate, montare uşoară , siguranţă şi zgomot electric mic . Dacă avem nevoie de putere mare , zgomot acustic cât mai mic, sistemele electro-hidraulice sunt recomandate, în special în aplicaţii militare şi operaţiuni de deminare .

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


26

Sistemele electrice de propulsie folosesc câte un electromotor pentru acţionarea fiecărei elici, dar sunt cazuri în care se foloseşte un singur motor pentru acţionarea mai multor elici prin intermediul unei cutii de distribuţie . Electromotoarele de propulsie pot fi de mai multe feluri :

- electromotoare de viteză constantă alimentate în curent alternativ (50/60 Hz) care acţionează elici cu pas constant ;

- electromotoare acţionate în curent alternativ de frecvenţă variabilă ; - electromotoare universale cu reductor în mai multe trepte ; - electromotoare de curent continuu fără perii ; - electromotoare cu magneţi permanenţi .

Pentru a permite funcţionarea la diverse adâncimi, s-au adoptat mai multe soluţii : - etanşarea axului motorului cu sisteme de garnituri din materiale speciale ; - umplerea spaţiului din interiorul electromotorului cu ulei, astfel că presiunea

exterioară nu afectează etanşeitaea şi funcţionarea ; - transmiterea mişcării prin cuplaj magnetic, electromotorul fiind capsulat – nu mai este

nevoie de funcţionarea în ulei ; - folosirea electromotoarelor inelare – nu se mai pune problema etanşeităţii,

electromotorul funcţionând în apă, rezolvându-se şi problemele de răcire şi ungere . Electromotoarele sunt alimentate şi comandate în sens şi viteză cu ajutorul unor circuite

electronice încorporate în carcasă sau montate în incinte separate . Prezentăm în continuare câteva electromotoare de propulsie care exemplfică tipurile şi soluţiile constructive enumerate mai sus . HIGH FOW - firma CrustCrawler - S.U.A. [02] – este un propulsor puternic, etanşarea axului se face cu bucşe PTFE (Fluoroloy). Electromotorul este de tip fără perii, cu reductor. Caracteristici :

• greutatea : 274g • puterea maximă : 600W • turaţia : 40.000 rpm • tracţiune la punct fix : 7,25 kg • raport reductor : 4,28:1 • diametrul axului : 5 mm • temperatura maximă a carcasei : 100° C • tensiunea de fucţionare : de la 6 la 25 V

Conectorul este etanş pentru adâncimi de max 600m, carcasa este de Al protejată la coroziune prin tratament electrochimic . Elicea este din alamă , cu patru pale , cu eficienţa maximă la turaţii cuprinse între 1.500 şi 3.000 rpm . Pentru mărirea eficienţei , elicea se află într-o duză Kort .

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


27

Dimensiuni :

• lungimea totală : 300 mm • diametru motor : 50 mm • diametru duză : 95 mm

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


28

INUKTUN – Canada [12]- electromotor în ulei, compensat la presiune. Se fabrică în două tipodimensiuni : 90 W şi 150 W.

Caracteristici pentru 90 W (150 W)

• greutatea în aer : 1,13 kg (1,27 kg) • greutaea în apă : 0,73 kg (0,87 kg) • tracţiune la punct fix : 3 kg (4,5 kg) • adâncimea maximă : 300 m

Electromotorul este în carcasă de Al , elicea cu patru pale este din material plastic şi este montată în duză Kort tot din plastic . Dimensiuni :

• lungimea totală : 250 mm • diametrul duză : 130 mm • diametrul elice : 105 mm

Propulsoare TECNADYNE – S.U.A. [22] – sunt propulsoare la care elicea este cuplată magnetic la reductorul electromotorului. Ele sunt produse într-o gamă diversă de tipodimensiuni, cu puteri cuprinse între 350 W şi 13 KW, greutatea între 0,9 kg şi 25,5 kg, iar tensiunea de alimentare între 24 Vcc şi 280 Vcc . Propulsorul Model 260 - în butucul elicii sunt montaţi un număr de magneţi care asigură transmisia puterii de la reductorul planetar cu raport 6/1. În reductor sunt montaţi acelaşi număr de magneţi în configuraţie similară cu cea din elice. Prin eliminarea axului şi a sistemelor de etanşare aferente, se înlătură defecţiunile datorate intrării apei în motor. În plus, cuplajul magnetic se comportă ca un ambreiaj care nu permite supraîncărcarea motorului în situaţia în care în elice se prind diferite obiecte. Rulmenţii elicei sunt uşor de schimbat fiind situaţi în exteriorul carcasei etanşe. Carcasa electromotorului este confecţionată din ăl protejat electrochimic la acţiunea corozivă a apei de mare, elicea şi duza Kort sunt din material plastic (Nylon). Pentru a creşte perfiormanţele de tracţiune în dublu sens, opţional se poate monta o elice din bronz .

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


29

Pentru adâncimi de până la 1.500 m, circuitele electronice de alimentare şi control sunt plasate în carcasa etanşă. Pentru adâncimi mai mari, circuitele electronice sunt montate într-o carcasă etanşă, rezistentă la presiuni mari, iar carcasa electromotorului este umplută cu ulei. Caracteristici tehnice pentru echiparea cu elice de plastic (elice de bronz) :

• greutatea în aer : 0,9 kg (1 kg) • greutaea în apă : 0,680 kg (0,720 kg) • puterea absorbită : 350 W • tracţiunea la punt fix – înainte : 5,4 kg (3,6 kg) înapoi : 1,8 kg (2,7 kg) • raport reductor : 6/1 • tensiunea de alimentare : 24 Vcc ÷ 330 Vcc (150 Vcc standard) • tensiunea de comandă şi control : +12 Vcc/200mA ; ± 5 V

Dimensiuni : • lungimea totală : 226 mm • diametru duză : 95 mm • diametru elice : 76 mm

3.5.3 PROPULSOARE CU ELECTROMOTARE INELARE Constructiv, aceste propulsoare integrează electromotorul într-un inel în jurul elicei rezultând o combinaţie optimă între un cuplu mare şi o tracţiune simetrică în ambele sensuri. În stator este încapsulată înfăşurarea motorului, iar rotorul-elice are încastrat în material plastic mai mulţi magneţi permanenţi. Această soluţie elimină câteva din neajunsurile propulsoarelor clasice :

1) electromotorul obstrucţionează curgerea apei, iar tracţiunea înainte/înapoi este asimetrică ;

2) montajul ansamblului electromotor-elice ocupă spaţiu în interiorul şasiului robotului, spaţiu preţios pentru încărcătura utilă, este mai lung în comparaţie cu diametrul ;

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


30

3) electromotorul are reductor, este umplut cu ulei şi are diverse sisteme de etanşare, toate acestea micşorând siguranţa în funcţionare şi mărind costul întreţinerii .

Avantajele propulsoarelor inelare sunt : 1) La acest tip de propulsor singura parte care în mişcare este elicea. Electromotorul

produce tot cuplul de care are nevoie fără să utilizeze un reductor. 2) Elicea este angrenată fără să existe contact între statorul capsulat şi rotor . 3) Materialele sintetice utilizate au flotabilitate pozitivă, asfel că în apă greutaea este

mult redusă. 4) Lucrând complet în apă răcirea este foarte bună, iar probleme de ungere nu există.

INTEGRATED THRUSTERS™ [23] - propulsoare având la bază electromotoare în configuraţie inelară . Activitatea de cercetare a început în Marea Britanie la Universitatea din Southampton şi a dus la apariţia unor produse începând propulsoare mici cu diametrul de 50 mm şi extinzându-se pâna la dimensiuni de 300 mm şi tracţiune de 250 kgf . Sunt ideale pentru roboţii subacvatici, la care viteza de deplasare este mică, dar au nevoie de forţă de tracţiune mare şi egală în ambele sensuri de rotaţie .Tensiunea standard de alimentare este de 24 V. - Tip 50mm

• puterea absorbită : 100W • tracţiunea la punct fix : 1,2 kg • greutatea în aer : 0,6 kg • greutatea în apă dulce : 0,4 kg • diametrul : 72mm • lungimea : 51mm

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


31

- Tip 70mm • puterea absorbită : 300W • tracţiunea la punct fix : 4,2 kg • greutaea în aer :1,6 kg • greutaea în apă dulce : 1 kg • diametrul : 108mm • lungimea : 95mm

- Tip 100mm

• puterea absorbită : 300W • tracţuinea la punct fix : 5,5 kg • greutatea în aer : 3 kg • greutaea în apă dulce : 1,8 kg • diametrul : 149mm • lungimea : 140mm

3.5.4 REALIZĂRI PE PLAN INTERN ICPE S.A. – Bucureşti, Centrul SICE, a realizat un propulsor pentru un robot subacvatic Motorul de acţionare este de tip sincron cu magneţi permanenţi din pământuri rare. Turaţia maximă este de 1700 rot/min, la puterea maximă absorbită de 60W, la tensiunea de 24V [24] .

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


32

Pentru circuitele de comandă şi control s-a ales varianta constructivă care se poate integra în carcasa motorului. Driverul are buclă de curent, buclă de turaţie şi limitare de curent. Comanda direcţiei de acţionare se face cu semnal TTL, iar comanda de turaţia/cuplu se face cu semnal proporţional 0-5V. Adâncimea maximă de operare este de 300m .

3.5.5 SCHEME DE POZIŢIONARE A PROPULSOARELOR

Eficacitatea propulsoarelor este afectată de poziţionarea lor faţă de celelalte componente

ale minirobotului, de aceea poziţionarea lor nu este doar o problemă de montaj. Mărimea propulsoarelor şi poziţionarea lor vor fi luate în considerare faţă funcţionarea întregului vehicul, inclusiv din punct de vedere al consumului de putere faţă de restul sistemelor, astfel că în situaţii critice nici un consumator să nu rămână fără energia necesară . În principiu există două scheme de poziţionare a propulsoarelor. a) poziţionarea „clasică”, în care propulsoarele de mers înainte sunt aşezate la pupa vehiculului, propulsorul de urcare-coborâre este aşezat pe verticala centrului de greutate şi a centrului de carenă, iar propulsorul de mişcare laterală cât mai aproape de acesta. Această schemă are avantajul că nu necesită un soft special pentru a comanda motoarele, dar manevrabilitatea nu este la fel de bună ca la schema a doua .

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


33

Această schemă , prezentată în schiţa de mai sus , se potriveşte roboţilor de observare care nu trebuie să manevreze în spaţii înguste .

b) poziţionarea „în cruce”, în care motoarele de propulsie sunt aşezate în prova şi în pupa vehiculului, orientate sub un anumit unghi. Această configuraţie permite, cu ajutorul unui soft specializat, mişcarea pe cele două axe orizontale şi rotirea robotului ca şi menţinerea lui pe o poziţie prestabilită indiferent de factorii perturbatori externi .

Mişcarea pe verticală este realizată cu un propulsor montat, ca şi în cadrul schemei anterioare, pe verticala centrului de greutate şi a centrului de carenă . În afară de mobilitatea sporită a robotului, acest tip de amplasare a electromotoarelor de propulsie duce şi la o utilizare mai eficientă a propulsiei, deoarece curentul de apă produs de elici nu este împiedicat de componentele sistemelor vehiculului, indiferent de sensul tracţiunii .

3.6 SISTEMUL DE SUPRAVEGHERE TV Misiunea primordială a oricărui robot subacvatic este de a transmite imagini.Un sistem de supraveghere subacvatică în circuit închis care să satisfacă toate cerinţele beneficiarilor, nu există. În funcţie de aplicaţia avută în vedere, fiecare sistem are avantajele şi dezavantajele sale . O cameră alb-negru de sensibiliatate mare asigură imagini detaliate ale obiectelor vizate, iar o cameră color asigură o imagine cu contrast mai bun, dar are nevoie de un sistem de iluminare mai puternic care poate duce la o stralucire prea mare a mediului. Se pot folosi mai multe camere TV pentru diverse tipuri de observaţii : o cameră color pentru navigaţie şi observarea obiectelor de la

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


34

mai mare distanţă şi o cameră alb-negru pentru observarea de aproape a detaliior. Camerele pot fi orientate toate pe aceeaşi parte a robotului ( în partea frontală), sau pot fi orientate unele spre faţă iar altele spre parte din spate, urmărind, de exemplu, evoluţia cordonului ombilical . Poziţionarea camerei TV şi mişcarea sa sunt două caracteristici de bază ale sistemului. Camera TV trebuie să aibă capacitatea de a fi orientabilă în plan orizontal (mişcarea de rotaţie – pan ) şi în plan vertical (sus-jos – tilt ) pentru a orienta obiectivul în direcţia dorită . Dar trebuie să ştim în ce direcţie este îndreptată camera . Cea mai bună metodă de a afişa informaţiile despre orientarea în cele două planuri este de a le suprapune peste imaginea transmisă de camera TV pe monitor, astfel că operatorul robotului nu trebuie să urmărească mai multe ecrane . Dacă roborul este dotat cu mai multe camere, tot pe acelaşi ecran se afişează informaţia despre ce cameră este în funcţiune la un moment dat . Camerele TV de ultimă generaţie combină dimensiunile reduse cu performanţe deosebite. Având greutate de câteva sute de grame în aer, ele au o sensibiliatte mărită atât la cela alb-negru cât şi color, adâncime de operare standard de 6.000 m, sistem se iluminat încorporat – cu LED – şi vizor de safir rezistent la şocuri şi zgârieturi .

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


35

De exemplu , unul din produsele firmei DeapSea POWER & LIGHT[17], (specializată în echipamente necesare scufundărilor cu scafandrii sau roboţi subacvatici), minicamera SS-30C, are următoarele caracteristici :

• diametrul : 3 cm • lungimea : 4,27 cm • greutatea în aer : 96,4 g • adâncimea de operare : 400m • temperatura de operare : -10°C la +50°C

Carcasa este din oţel, vizor de safir, tensiunea de alimenare 8÷13 Vcc. Focalizarea este fixă, rezolutie 460 x 350 de linii, sistem PAL. Pentru a obţine imaginile dorite, un sistem de iluminare este absolut necesar. Datorită absorbţiei şi dispersiei luminii în mediul acvatic, observaţiile optice de mare distanţă nu sunt posibile. Substanţele dizolvate în apă măresc absobţia, iar materiile în suspensie măresc dispersia. Dispersia este cea care deranjează cel mai mult, deoarece nu numai că îndepărtează lumina utilă din fascicolul proiectat de sursă, dar şi măreşte gradul de luminozitate a fundalului. Pierderea de lumină prin absobţie poate fi compensată prin folosirea unor surse de lumină mai puternice , dar în anumite condiţii creşterea iluminării duce la creşterea cantităţii de lumină reflectate de mediu spre obiectiv. Acest fenomen se aseamănă cu condusul pe timp de ceaţă : vizibilitatea la utilizarea fazei lungi este mai proastă decât atunci când se utilizează faza scurtă. Prin folosirea unui nivel de iluminare adecvat, efectul negativ datorat dispersiei poate fi micşorat. Acest lucru se poate face prin separarea proiectorului de camera TV sau, în cazul apei foarte tulburi, prin utilizarea a două sau trei surse de lumină de putere mai mică poziţionate în mod eficient. Obiectele aflate la câţiva metri de camera TV se văd clar în apa de mare limpede, dar spre deosebire de imaginile din aer, chiar şi în cea mai limpede apă claritatea imaginii este redusă drastic chiar pentru distanţe de 5 – 10m. În apele de coastă efectul de dispersie poate reduce vizibilitatea până la un metru sau doi. Situaţia se îmbunătăţeşte dacă sursa de lumină se situează mai departe de obiectivul camerei. Imaginea obiectelor este afectată şi de faptul că absorbţia reduce intensitatea luminii în funcţie de culoare. Lumina roşie este absorbită de şase ori mai repede ca lumina albastră sau verde, de aceea fotografiile subacvatice făcute la mare distanţă au o tentă albastră, fără prea multe culori. Chiar şi în cea mai limpede apă de suprafaţă culoarea roşie este practic inexistentă în lumina ambientală la adâncimi mai mari de 4-5 m. Pentru obţinerea unor imagini de mare acurateţe cromatică se folosesc surse de lumină cu temperatură de culoare care să compenseze pierderile în mediul acvatic (lămpi cu halogen sau cu arc electric). În cazul roboţilor de supraveghere, pentru obţinerea unor imagini bune sunt suficiente două sau trei proiectoare cu LED-uri cu intensitate variabilă.

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


36

Sunt prezentate mai jos două din produsele de firmei DeapSea POWER & LIGHT – S.U.A.[17] Mini SeaLite – lampă cu halogen

• material : aluminiu (sau oţel) • vizor : cuarţ • lungimea : 14 cm • diametrul : 3.8 cm • greutatea în aer : 0,2 kg(0,4 kg) • greutatea în apă : 0,1 kg (0,3 kg) • adâncime maximă : 1.000 m • tensiune de alimentare : 12Vcc – 240Vcc • reglaj al luminoziăţii : nu

RiteLite – lampă cu halogen • material : răşină armată cu fibră de

sticlă • vizor : sticlă securizată • lungimea : 11,6 cm • diametrul : 7,9 cm • greutatea în aer : 0,3 kg • greutatea în apă : 0 • adâncimea maximă : 1.000 m • tensiunea de alimentare : 12 Vcc sau 24 Vcc • reglaj al luminozităţii : nu

Proiector produs de firma Tritech – Marea Britanie [18] LEDLite – cu diode electroluminiscente

• material : oţel • lungimea : 11,9 cm • diametrul : 4 cm • greutatea în aer : 0,41 kg • greutatea în apă : 0,33 kg • adâncimea maximă : 4.000 m • tensiunea de alimentare : 12 Vcc ÷ 48 Vcc • reglaj al luminozităţii : în trei trepte

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


37

Sistemul de supraveghere TV poate combina într-un singur subansamblu atât camera TV cât şi sistemul de iluminat. Astfel , sistemul MD 4000 produs de firma Tritech combină o cameră color cu două proiectoare cu luminozitaea reglabilă .

Caracteristicile principale sunt următoarele :

• dimensiuni : lungime – 85 mm lăţime – 90 mm înălţime – 40 mm • greutatea : în aer – 675 g

în apă – 290 g • adâncimea de operare : 1000 m • sensibilitatea : 0,1 lux • compensare iluminare fundal : automată • reglarea luminii : automat sau manual • alimentare : +/- 12 Vcc până la 24 Vcc

3.7 SENZORI DE NAVIGAŢIE ŞI POZIŢIONARE

Navigaţia şi poziţionarea unui vehicul constă în măsurători care să determine locul în care se află şi/sau direcţia în care se mişcă. În cazul roboţilor subacvatici, aplicaţiile în care sunt

necesare date de navigaţie şi poziţionare sunt de mai multe feluri : - supraveghere a unei zone prestabilite ; - supravegherea unui traseu ( conducte , cabluri ) ; - inspecţii de instalaţii ; - localizarea unei ţinte specificate în prealabil ; - poziţionarea unui obiect în mediul acvatic ; - măsurători statice .

Pentru a îndeplini misiunea care îi este destinată, robotul este dotat cu o serie de senzori : • Senzori de direcţie • Senzori de adâncime • Senzori de altitudine • Senzori de poziţionare în spaţiu

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


38

3.7.1 SENZORI DE DIRECŢIE – determină direcţia de mers faţă de direcţia Nord. Aceşti senzori sunt de mai multe feluri, în funcţie de principiul de funcţionare . - Flux Gate Compass – foloseşte două bobine pentru a detecta schimbarea de fază indusă de mişcarea în câmpul magnetic al Pământului .

Sistemul se caracterizează prin : :

- lipsa pieselor în mişcare – imunitate la vibraţii - imunitate la interferenţe magnetice (structuri metalice mari în apropiere

- nave) - posibilităţi de miniaturizare în continuare – poate fi montat în alte

dispozitive (de ex. ceasuri) - precizie mare

- Girocompas – utilizează trei giroscoape pentru determinarea mişcării pe cele trei axe . Un model de girocompas, utilizat în echiparea mai multor roboţi subacvatici, este iGC – Intelligent Gyro Compass al firmei Tritech [18] . Acesta combină trei giroscoape cu trei accelerometre orogonale şi trei magnetometre ortogonale, furnizând date complete despre mişcarea robotului în apă. El incorporează un procesor pentru prelucrarea semnalelor de la cei nouă senzori si o interfaţă de transmisie a datelor .

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


39

Caracteristici :

• mai precis ca un compas Flux Gate • software dedicat • interfaţă serială, memorie nevolatilă • costuri minime de întreţinere • rezistent la şocuri • rezoluţie : < 0,1° • precizie : mai bună de 1° • senzori : giro +/- 300°/s FS accelerometru +/- 5Gs FS magnetometru +/- 1 Gs FS • diametrul : 79 mm • înălţimea : 122 mm • greutatea în aer : 0,95 kg • greutatea în apă : 0.45 kg • adâncimea maximă : 4.000 m • temperatura de operare : - 40°C la 70°C • tensiunea de alimentare : 24 Vcc

- Compas piezo.Un girocompas care funcţionează după acest principiu este PRO GYRO produs de Watson Industries [19]. Având la bază un rezonator piezoceramic monolitic, el se caracterizează prin precizie, performaţe foarte bune, rezistenţă, derivă redusă, zgomot redus şi fiabilitate .

Caracteristici : • rezoluţie : 0,025°/s • precizie : 0,5% • temperatura de operare : -30°C la +60°C • rezistenţa la vibraţii :10g • funcţionează corect la vibraţii de 5g • rezistenţa la şocuri : 500g • tensiunea de alimentare : 9 Vcc÷35 Vcc • dimensiuni : 71 x 30 x 30 mm • greutatea : 70 g

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


40

3.7.2 SENZORI DE ADÂNCIME – determină adâncimea la care se află robotul în funcţie de presiunea hidrostatică. Sunt în general de tip piezoelectric, ceea ce le conferă dimensiuni reduse, rezistenţă sporită şi funcţionare sigură în mediu marin . 3.7.3 SENZORI DE ALTITUDINE – determină distanţa până la fundul apei, prevenind ciocnirea robotului de fund şi înlăturând pericolul de avariere. În funcţie de principiul care stă la baza conceperii şi funcţionării lor, sunt de mai multe feluri : - Sonda ultrason – funcţionează pe principiul determinării timpului scurs între emiterea şi recepţia unui semnal ultrasonor produs de un emiţător piezoelectric. La modele vechi era nevoie de doi senzori, un emiţător şi un receptor, dar la modelele noi acelaşi senzor piezoelectric este folosit pentru emisie-recapţie. Acest lucru a dus la micşoraea a dimensiunilor şi la creşterea fiabilităţii. De exemplu sonda DST produsă de firma Tritech [18] are următoarele caracteristici :

• frecvenţa de lucru : 500 KHz • lăţimea fascicolului : conic 6° • distanţa maximă măsurată : 50 m • tensiune de alimentare : 12 Vcc ÷ 50 Vcc • rezoluţia : 1 mm • diametrul : 56 mm • înălţimea : 59 mm • greutatea în aer : 0,2 kg • adâncimea maximă : 500 m • temperatura de funcţionare : -10°C ÷ +35°C • temperatura de stocare : -20°C ÷ +50°C

- Sonda Doppler – funcţionează pe baza efectului Doppler: variaţia frecvenţei unei unde emise de o sursă de oscilaţii, dacă aceasta se află în mişcare faţă de receptor. Frecvenţa măsurată creşte atunci când sursa se apropie de receptor şi scade când sursa se depărtează de receptor. În afară de distanţă, cu ajutorul unei sonde Doppler se poate măsura viteza reală şi direcţia de deplasare deasupra fundului apei. Prin încorporarea a unui compas şi a

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


41

unui senzor de presiune se obţine un platformă de senzori compactă şi multifuncţională, ideală pentru echiparea unor roboţi subacvatici de mici dimensiuni . Un astfel de produs este Doppler Velocity Log (DVL) al firmei SonTek [07], care are drept caracteristici principale dimensiunile reduse şi un consum mic de putere – 0,5 W. El poate fi folosit ca instrument de navigaţie, detector de curenţi şi senzor de altitudine .

• frecvenţa de lucru : 1,5 MHz / 3 MHz • gama de viteză : +/- 6 m/s • rezoluţie : 0,1 cm • senzor de temperatură

3.7.4 SENZORI DE POZIŢIONARE – sistemele de poziţionare acustice sau având la bază sonarul sunt folosite des în navigaţie. Sistemele cu sonar transmit în apă sunete de înaltă frecvenţă şi recepţionează vibraţiile reflectate de un obiect . Pentru calcularea poziţiei se foloseşte metoda triangulaţiei prin care un obiect este localizat în funcţie de o bază de referinţă formată din mai mulţi markeri, care pot fi plasaţi în apă sau montaţi pe robotul subacvatic. Baza de referinţă poate fi : - bază lungă (LBL) – emiţător/receptorii sunt plasaţi în colţurile suprafeţei peste care evoluează robotul ; - bază scurtă ( SBL) – punctele de referinţă sunt montate la bordul unei nave de suprafaţă iar poziţionarea se face faţă de navă. Sistemul este folosit mai ales pentru pilotarea roboţilor subacvatici ; - bază foarte scurtă (USBL) – poziţionarea se face tot faţă o locaţie aflată la suprafaţă (navă sau dig), dar în această metodă se foloseşte un singur emiţător ca punct de referinţă, montat pe o tijă. Pentru a stabili poziţia, sistemul foloseşte mişcarea undelor sonore în apă faţă de puntul de referinţă. Dezavantajul principal al acestui tip de poziţionare este precizia mai mică faţă de celelete sisteme. Pentru poziţionare şi navigaţie se mai folosesc sistemele GPS, DGPS, hiperbolice, inerţiale, integrate, laser, LORAN, OMEGA, cu microunde, satelit sau harţile electronice (ECDIS)

3.8 FLOTABILITATE – CONTROL ŞI BALAST La proiectarea unui robot subacvatic se încearcă folosirea la maximum a materialelor uşoare în scopul de a reduce cât mai mult greutatea totală a vehiculului. De aceea se folosesc materiale ca aluminiu sau compozite pe bază de fibre de sticlă sau carbon. Greutatea vehiculului constă în :

- componentele subsistemelor - sarcina utilă / balastul fix - flotabilitatea necesară obţinerii plutirii specifice operaţiilor ce vor fi execuate.

http://www.sontek.com/pics/dvlbmn.jpg

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


42

În mod normal se folosesc vehicule care au flotabilitate pozitivă astfel încât să poată funcţiona optim la orice adâncime şi să existe siguranţa că se pot întoarce la suprafaţă prin mijloace proprii în cazul unei defecţiuni la sistemul de alimentare cu energie. Flotabilitatea pozitivă este cuprinsă în gama de la 2,3 kg (pentru miniroboţi) la 5-7 kg (pentru vehiculele mari), iar în unele cazuri chiar 25 kg . Un alt motiv pentru care este indicat ca vehiculele să aibă flotabilitate pozitivă este acela de a putea manevra în apropierea fundului apei fără a folosi pentru urcare tracţiunea motoarelor, astfel ca sedimentele să nu fie agitate de curentul descendent al elicei. În acest fel vizibilitatea rămâne la parametrii iniţiali. Se constată că pentru a menţine robotului la adâncimea dorită este nevoie ca motoarele de tracţiune pe verticală să fie acţionate numai pentru împingere vehiculului în jos. Sunt foarte rare cazurile (doar la roboţii foarte mari) în care flotabilitatea este modificată prin folosirea tancurilor de balast golite cu aer sub presiune. Măsura stabilităţii unui vehicul este dată de momentul necesar pentru schimbarea unghiului de înclinare (asietă sau bandă). El este caracterizat de ecuaţia : m = (W) BG Sin , unde : m = momentul (w)(d) w = forţa

d = braţul W = greutatea vehicului BG = distanţa dintre centrul de carenă şi centrul de greutate θ = unghiul de asietă sau bandă Se observă că vehiculul este cu atât mai stabil cu cât distanţa BG dintre cele două centre este mai mare (centrul de carenă cât mai sus, centrul de greutate cât mai jos). Când vehiculul se deplasează în apă, forţele externe exercită o influenţă asupra stabilităţii lui: forţa propulsorului vertical, atunci când acesta acţionează pentru ascensiune, face ca centrul de greutate al robotului să se ridice şi acesta poate fi destabilizat în asietă sau bandă. Stabilitatea statică a robotului este asigurată încă din faza de proiectare. Stabilitatea poate fi mărită prin plasarea greutăţilor cât mai jos (de ex. Motoarele de propulsie), iar componentele cu flotabilitate mare (compartimente etanşe şi flotorul) cât mai sus

3.8.1 BALASTUL Balastul unui submersibil poate fi clasificat ca balast fix şi balast variabil. Balastul fix poate fi format din spuma rigidă a flotorului (compusă din microsfere de sticlă, polimer sau ceramică încorporate într-o masă de răşină), compartimentele etanşe şi greutăţi de plumb. Balastul variabil poate fi format din compartimente cu volum variabil care se umplu cu aer comprimat sau din compartimente rigide din care apa se scoate cu ajutorul aerului comprimat.

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


43

ă

Balastul fix

Balastul fix (flotabilitatea pozitivă ) a unui vehicul este obţinută prin intermediul compartimenelor etanşe rezistente la presiune, spumei rigide şi a greutăţilor de plumb care aduc submersibilul la greutatea dorită. Majoritatea roboţilor subacvatici folosesc blocuri de spumă rigidă montate în partea superioară, obţinând flotabilitatea necesară functionării corecte. Se folosesc două tipuri de spumă rigidă : prima este o matrice de macrosfere de plastic şi microsfere de sticlă încorporate în masă de răşină, a doua este compus

Spumă rigidă [16] doar din microsfere în răşină. În general, primul material e folosit pentru submersibile care au adâncimea maximă de lucru pâna la 100m, iar al doilea material pentru adâncimi mai mari. Cu cât sferele sunt mai mici, cu atât presiunea la care rezistă este mai mare, astfel că o dată cu creşterea adâncimii de operare creşte şi densitatea spumei dar preţul ei.Un minirobot subacvatic este un compromis între performanţe (adâncimea de lucru), greutate şi preţ.

Pentru obţinerea flotabilităţii dorite poate fi utilizat şi şasiul, dacă e construit din ţeavă, dar există pericolul ca la impactul cu obiecte din apă sau cu un fund accidentat să fie deteriorat şi să-şi piardă calităţile de flotabilitate. Ca să se prevină acestă situaţie se foloseşte metoda compartimentării şasiului, astfel că în cazul unei avarii pierderea de flotabilitate să fie nesemnificativă. O altă măsură care ajută în cazul unui impact este de a umple tubulatura cu spumă. . În funcţie de adâncimea pentru care a fost proiectat vehiculul, o soluţie optimă pentru obţinerea flotabilităţii necesare, poate fi utilizarea corpului etanş rezistent la presiune care adăposteşte toate echipamentele minirobotului. Această soluţie nu a cunoscut o mare răspândire în cazul miniroboţilor telecomandaţi, dar este larg utilizat în cazul vehiculelor autonome (automate). Lestul de plumb este folosit pentru echilibrare şi poate fi înlocuit cu diverse accesorii (manipulatoare, senzori etc.) păstrând aceleaşi caracteristici de flotabilitate.

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


44

Balastul variabil

Balastul variabil permite ridicarea diverselor obiecte de pe fundul mării la suprefaţă fără a utiliza motoarele de manevră pe vericală. El permite vehiculului să aibă greutate mai mare atunci când intă în imersiune în mediu cu curenţi puternici. Modificarea balastului în compartimente cu volum variabil se face printr-un sistem compus în principiu din mai multe butelii de aer sub presiune (3000 psi ≈ 200 atm), un reductor-regulator de presiune, un electromagnet comandat de la suprafaţă şi un compartiment cu o deschidere cu arie mare la partea inferioară. Acest sistem are ca dezavantaj faptul că aerul din compartiment îşi schimbă volumul odată cu modificarea adâncimii la care se află vehiculul. Mărimea sarcinii utile transportată poate fi modificată şi prin inundarea sau debalastarea unui compartiment special destinat (rezistent la presiune). Inundarea unui compartiment este o metodă eficientă de echilibrare, atunci când o încărcătură este largată dintr-un vehicul aflat în imersiune. În cazul unei astfel de instalaţii, debalastarea se face prin evacuarea apei din compartiment cu ajutorul aerului comprimat, sau prin pompare. Metoda poate fi folosită şi pentru autosalvare în cazul în care legătura cu punctul de comandă de la suprafată se întrerupe. În acest caz, debalastarea se face automat. Flotabilitatea variabilă este rar folosită în cazul roboţilor telecomandaţi, dar este utilizată pe scară largă la vehiculele hibride când un submersibil trebuie să aibă o flotabiliate zero pentru anumite operaţii şi apoi să aibă flotabilitate negativă pentru operarea pe fundul mării (montarea de conducte, îngroparea de cabluri, reparaţii).

3.9 ŞASIUL Şasiul reprezintă partea din vehicul care va fi configurată în funcţie de soluţia constructivă aleasă. Şasiul poate fi format dintr-o ramă pe care se prind restul componentelor robotului : motoare, compartimentul cu circuite electronice, camerele video, proiectoare, flotor etc., sau dintr-un compartiment etanş în care se introduc o parte din părţile componente (circuitele electronice, camere video) şi de care se prind restul subansamblelor (de exemplu motoarele de propulsie). A) În cazul şasiului sub formă de ramă, acesta foate fi confecţionat prin sudare din ţeavă sau profil de aluminiu sau oţel, acoperit corespunzător anticoroziv. La fabricarea şasiului se pot folosi şi materiale plastice sau materilale compozite (fibră de sticlă sau fibră de carbon), care au avantajul rezistenţei mecanice sporite, a greutăţii reduse şi a protecţiei anticorozive dată de natura materialului. Un avantaj al acestei soluţii constructive constă în simplitatea realizării ei, amplasarea sistemelor componente se face uşor, accesul este lejer. Din păcate, există dezavantajul formei, caracteristica hidrodinamică este slabă, corpul are o rezistenţă mai mare la înaintare, lucru puţin important la viteze mici, dar semnificativ când se lucrează în mediu cu curenţi, mai ales laterali. Dezavantajul poate fi micşorat prin “ îmbrăcarea “ vehiculului într-o carcasă care va îmbunătăţii caracteristica hidrodinamică.În fotografiile următoare sunt prezentaţi mai mulţi roboţi care au soluţie constructivă pentru şasiu modelul “ramă“.

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


45

LBV 150 şi LBV 600 – SEABOTIX ( S.U.A. ) [06]

V8 – OCEAN MODULES (S.U.A.)[25] OFFSHORE HYBALL – SONA VISION[26]

B) Robotul la care şasiul este format din corpul etanş se inspiră ca formă şi soluţie de la minisubmarine. La exterior sunt fixate motoarele de propulsie, sistemul de iluminat, patinele de protecţie la contactul cu fundul apei, eventual şi un flotor. Avantajul acestei soluţii constructive rezidă în faptul că se reduc problemele de conexiuni etanşe şi că forma fiind mult mai hidrodinamică decât la soluţia constructivă anterioară se îmbunatăţesc performanţele de viteză şi

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


46

manevrabilitate. Echilibrarea statică este mai greu de făcut. De asemenea, o dată cu concentrarea mai multor echipamente în acelaşi spaţiu, poate apare şi o problemă de răcire . Această soluţie a fost adoptată de constructori pentru miniroboţi, unde creşterea randamentului propulsiei la o putere instalată mică este un deziderat având în vedere că o mare parte din energie este folosită pentru a învinge efectul de frână al cordonului ombilical.

Minirover MK II – BENTHOS ( S.U.A.) [08]

GNOM Standard – INDEL ( RUSIA) [11]

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


47

SEA OTTER & SEA LION – J W FISHERS ( S.U.A.) [03]

SCALLOP – INUKTUN ( CANADA) [12]

http://www.jwfishers.com/graphics/hr/otterHR.jpg

http://www.jwfishers.com/graphics/hr/sealionglowHR.jpg

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


48

SERAFINA – ANU ( AUSTRALIA) [27]

3.10 TELECOMANDA Termenul “Telecomanda”, asociat în prezent ca noţiune cu dispozitivul sau acţiunea care

permite comanda la distanţă a unei maşini sau proces, este derivat din semnificaţia mai generală pe care o are teleoperarea. Teleoperarea a fost un concept inovator rapid introdus în practica curentă din domeniului automatizărilor, atât industriale cât şi a bunurilor de larg consum. Are o contribuţie importantă în configurarea aplicaţiilor moderne, de avangardă, din domeniul nuclear, militar şi spatial.

Teleoperarea necesită anumite particularităţi ale aplicaţiei tratate, printre care : - aplicaţia trebuie să suporte comanda prin acest procedeu, adică să nu existe restricţii specifice; - aplicaţia trebuie să fie compatibilă cu comanda prin teleoperare; - aplicaţia trebuie să prezinte avantaje evidente în urma aplicării teleoperării.

Având în vedere aceste aspecte, s-a putut constata că teleoperarea nu a adus numai perfecţionări aplicaţiilor din domeniul industrial, simplificând extrem de mult unele procese de comandă, ci că este fără doar şi poate oportună, chiar indispensabilă în anumite condiţii de exploatare din domeniile aplicaţiilor speciale, industriale şi casnice. 3.10.1 TELEOPERAREA ÎN DOMENIUL ROBOTICII

În mod generic, transmiterea comenzilor către echipamentul aflat la distanţă este numită teleoperare şi se efectuează printr-o telecomandă, indiferent dacă cel care decide comenzile este un operator uman sau un sistem de conducere automată. Asociată acestei noţiuni, denumirea generică de teleprezenţă semnifică transmiterea la distanţă, prin proceduri IT, a semnalelor captate de la un echipament sau de un sistem de reglare automată. Cu alte cuvinte, aplicaţiile în

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


49

care operatorul este conectat la senzorii aflaţi la distanţă, ca şi cum s-ar afla în mediul în care sunt instalaţi senzorii, sunt numite aplicaţii de teleprezenţă. Un exemplu simplu de teleprezenţă îl reprezintă transmiterea imaginilor video la distanţă.

Unii dintre parametrii de bază care caracterizează configuraţia şi performanţele telecomenzilor o reprezintă distanţa între echipament şi operator şi mediul în care se execută teleoperarea (de ex. atmosferă, apă, spaţiul cosmic etc.), parametrii care în cazul unei operaţii de reglare automată implică aspecte tehnice extrem de importante.

Aplicaţiile care implică necesitatea utilizării teleoperării şi teleprezenţei sunt definite de cazul când: - echipamentul (de exemplu robot mobil) operează într-un mediu ostil, periculos pentru operatorul uman, cum ar fi zonele de risc, zonele de conflict, situaţiile de urgenţă, reactoarele nucleare etc.; - echipamentul colectează informaţii (sub diverse forme fizice) din zone inaccesibile operatorului (spaţiul extraterestru, spaţii înguste), dar pe care operatorul trebuie să le perceapă ca şi cum ar fi prezent (cum ar fi cazul telechirurgiei, al interventiilor pirotehnice etc.); - echipamentul trebuie configurat şi comandat de la distanţă (cazul roboţilor mobili de serviciu sau al unor echipamente industriale în sistem SCADA); - echipamentul este disponibil într-un număr mic de exemplare (poate fi chiar unicat) şi trebuie folosit de mai mulţi utilizatori, aflaţi în zone geografice diferite (cazul experimentelor ştiinţifice sau al învăţămîntului la distanţă).

Structura generală a unei TELEOPERARI, care se materializează printr-un sistem de telecomanda, cuprinde următoarele elemente: - un echipament de recepţie aflat la distanţă faţă de operator (de exemplu pe un robot mobil), capabil să decodifice comenzile recepţionate şi să le interfateze cu elementele de execuţie aferente (servomotoare, releee); - în cazul unei configuraţii duplex, un sistem de traductoare, instalat pe echipament, care furnizează informaţii despre evoluţia parametrilor mediului şi despre gradul de executare a comenzilor; - un echipament de emisie programabil, aflat la distanţă faţă de echipamentul operat, capabil să preia comenzile operatorului sau să realizeze operaţia de automatizare (de obicei este vorba de un pupitru, terminal, consolă, calculator de uz general sau dedicat); - un mediu de comunicaţii, prin care comunică cele doua echipamente corespondente, de recepţie şi de emisie . Mediul poate fi unul dedicat aplicaţiei sau poate fi comunicaţie prin cablu, prin modemuri radio (wireless), prin fibră optică, prin radiaţie infraroşie etc.; - câte un mediu software pentru fiecare dintre echipamentele corespondente, prin intermediul căruia se exploatează resursele hardware. De regulă, principiul pe care se bazează programele software aflate în legătură la distanţă este principiul client/ server; - un protocol de comunicatie asociat mediului de comunicatii. 3.10.2 DOMENIILE DE APLICARE ALE TELEOPERĂRII;EXEMPLE

Cele mai des întâlnite domenii cu aplicaţii de telecomandă sunt: - domenii în care se solicită intervenţii care necesită precizie; - domenii care reprezintă medii ostile, de risc, inaccesibile omului sau medii de înaltă puritate (camere curate, medicină, producerea medicamentelor,semiconductoarelor, etc.); - domenii cu activităţi care beneficiază de îmbunătăţiri de performanţă prin introducerea roboţilor mobili telecomandaţi.

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


50

Structura de principiu a unui sistem de telecomandă Configuraţie de principiu - echipament emitator Configuraţie de principiu - echipament receptor Structura modulară a unui sistem de telecomandă asigură instalarea si configurarea cerută de aplicaţii pe unităţi fixe sau mobile (de exemplu, miniroboţi tereştri sau subacvatici). Această structură se bazează în principial pe doua blocuri multifuncţionale ECHIPAMENT EMIŢĂTOR (de operare) si ECHIPAMENT RECEPTOR (de execuţie).Cele doua ECHIPAMENTE, EMIŢĂTOR, respectiv RECEPTOR se realizează cu ajutorul a câte unui microcontroler.

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


51

Emiţătorul este capabil să preia date analogice şi de tip ON/OFF de la un Pupitru pentru operator (de telecomanda) echipat cu joystick-uri, comutatoare şi taste. În funcţie de complexitatea aplicaţiei, emiţătorul este capabil să semnalizeze şi să afişeze un numar de linii de stare. Receptorul este capabil să genereze semnale analogice şi digitale (de tip “releu”) de comandă necesare controlului blocurilor de execuţie (de exemplu, controlere pentru servomotoare de curent continuu cu sau fără perii sau electrodistribuitoare hidraulice cu alimentare în curent continuu). Receptorul poate să aibă capacitatea, în configuraţie duplex, să culeagă semnale de stare ale blocurilor de execuţie şi să le transmită echipamentului emiţător. Sistemele de telecomanda, deşi ca interfaţare sunt particularizate de aplicaţie, au şi caracteristici comune cum ar fi structura compactă, modulară, care să permită operatorului o intervenţie rapidă în caz de avarie şi posibilitatea localizării defectelor pentru o depanare eficientă. Caracteristici tehnico - tactice ale unui sistem de telecomanda sunt în principiu definite astfel: Echipament EMIŢĂTOR: -număr intrări analogice 8 (joystick-uri) -rezoluţie de conversie AD 8-12biti+semn -număr intrări ON/OFF cca. 30 (comutatoare şi întrerupătoare, max. 1mA) -tensiune de alimentare 8-28Vcc -consum* max.350mW -extensie în caz de cerinţe suplimentare Echipament RECEPTOR: -număr ieşiri analogice directe 8 / 0-10V c.c. sau 0-3A c.c. -rezoluţie de conversie DA 8-12biti+semn -număr ieşiri ON/OFF cca. 30 (comandă-releu max. 1A) -tensiune de alimentare 8-28Vcc -consum* max.350mW *consum orientativ fără modemurile radio.

Canal de comunicaţie:

RADIO: poate să ajunga la 1 km FIR (cablu): 100 m Benzi de frecvenţă ISM (libere): 434 MHz, 868 MHz

În cazul miniroboţilor sistemul de telecomandă trebuie să funcţioneze în următoarele condiţii de mediu: - temperatura mediului ambiant: -20°C ÷ +50°C; - umiditate relativă a mediului: 90% la 25°C; - vibraţii şi şocuri specifice transportului cu un mijloc auto de teren (pentru aplicaţia terestră) sau unui echipament de transport şi manipulare până la lansarea la apă (pentru aplicaţia subacvatică).

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


52

3.10.3 ALTE CARACTERISTICI PREZENTATE LA PRODUSELE SIMILARE CERCETATE Există un port (de exemplu, serial RS485) destinat pentru programarea/ upgradarea firmware-ului şi pentru setarea unor parametri sau calibrarea blocurilor. Receptorul este capabil să recunoască lipsa comunicaţiei cu emiţătorul, activând modul “frozen”. În aceasta stare blocurile de execuţie “ingheaţă” oprindu-se orice motor sau electrodistribuitor. La proiectarea software-ului dedicat se ţine seama ca în modul “frozen” receptorul să execute o“cautare” a conexiunii cu emiţătorul. La refacerea legăturii (radio sau cablu), receptorul reia activitatea de bază în funcţie de comenzile recepţionate.În principiu, parametrii de stare minimi care pot fi monitorizati sunt tensiunea acumulatorului (acumulatoarelor) care alimentează elementele de execuţie şi temperatura ambiantă .În funcţie de echipare se pot ataşa şi alţi senzori sau detectori. O optiune pentru emiţător este display-ul alphanumeric cu doua sau patru rânduri de caractere, prin intermediul căruia operatorul uman poate primi informaţii valorice suplimentare.

3.11 CABLUL DE LEGĂTURĂ Majoritatea roboţilor subacvatici au nevoie de un cablu de legătură care să asigure transferul de sarcină, putere şi semnal spre şi de la vehicul. Alternativă la utilizarea unui cablu este vehiculul autonom sau semi-autonom (cu care legătura este asigurată pe cale acustică), sau vehiculele cu cablu de unică folosinţă – microcablurile cu fibră optică. Caracteristicile cablului de legătură sunt date de dimensiunile, masa, adâncimea de operare, ca şi de motoarele, subsistemele, încărcătura vehiculului. Pentru un robot standard, care utilizează un cablu electro-mecanic, cablul de legătură poate fi de două feluri: cordon ombilical (de la navă la submersibil, sau de la navă la sistemul de gestionare a conexiunii cu robotul – tether management system TMS) sau cablu de conexiune (de la TMS la submersibil). La proiectarea sau la alegerea unui cablu de legătură se iau în considerare mai multe cerinţe: puterea care trebuie transmisă robotului, semnalele şi datele vehiculate între pupitrul de comandă şi robot şi cerinţele de rezistenţă mecanică .

- secţiune prin cabluri de legătură produse de firma Tyco Electronics – S.U.A. –

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


53

- cabluri de legătură produse de firma Intercond SpA - Italia 3.11.1 CERINŢE DE PUTERE

Aceste cerinţe se traduc în intensitatea curentului electric necesar alimentării consumatorilor. Trebuie să luăm în considerare căderea de tensiune care apare la trecerea unor curenţi de mare intensitate prin conductori de lungime mare între sursă şi consumatori. Se folosesc materiale cu rezistivitate cât mai mică, de obicei cupru. Un alt factor de care trebuie să se ţină seama este izolaţia conductorilor. Cablurile de legătură folosesc conductori izolaţi cu materiale termoplastice cum este TEFLON™ .Deoarece materialele termoplastice se înmoaie sau se topesc la căldură, este important să se ştie atât condiţiile de mediu în care funcţionează cablul cât şi intensitatea curenţilor care trec prin conductori. Tensiune de alimentare este un alt parametru care se ia în considerare la proiectarea cordonului ombilical. Ea trebuie să fie sufucient de mică pentru a nu străpunge izolaţia. La o tensiune prea mare pot apărea scurcircuite sau puneri la masă care să pericliteze funcţionarea robotului, de aceea se ia în calcul tensiune de străpungere, iar ca măsură suplimentară se foloseşte un conductor de nul de protecţie. 3.11.2 CERINŢE DE SEMNAL - DATE La trecerea semnalelor prin conductor apar pierderi datorate atenuării . Semnalul , fie electric sau optic, se atenuează atât prin conductor cât şi prin izolaţie. Aceste pierderi variază atât datorită tipului de semnal cât şi datorită frecvenţei sale. Semnalul poate fi analogic sau digital, electric sau optic. Conductorul de cupru cu izolaţie din material termoplastic se foloseşte şi pentru transmisia de semnale electrice. Firele pentru transmisia semnalelor necesită protecţie atât împotriva interferenţelor electromagnetice cât şi împotriva interferenţelor de radio-frecvenţă. Conductorii care transmit semnal - date se grupează separat de conductorii de forţă. Transmisia de semnal - date poate fi de tip simetric sau asimetric, în funcţie de cerinţele echipamentelor folosite. În mod normal, pentru transmisii simetrice se folosesc perechi de fire torsadate, iar pentru transmisii asimetrice se folosesc cabluri coaxiale. Alţi parametrii de care trebuie să se ţină seama în transmisia de semnal – date sunt: impedanţa, capacitatea şi frecvenţa.

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


54

Semnalele se pot transmite şi prin cabluri cu fibră optică. In acest caz parametrii de care trebuie să se ţină seama sunt: atenuarea, lăţimea de bandă şi lungimea de undă. 3.11.3 CERINŢE DE REZISTENŢĂ MECANICĂ Cablul trebuie să fie rezistent pentru a asigura legătura mecanică între robot şi suprafaţă. El trebuie să-şi susţină propria greutate, greutatea robotului şi orice sarcină suplimentară şi să reziste la sarcini dinamice. Mărimea cablului poate influenţa încărcarea sa datorată propriei rezistenţe la înaintare, deci sunt multe variabile de care trebuie să se ţină seama atunci când alegem un cablu de o anumită rezistenţă. Materialul cel mai folosit pentru a oferi cablului rezistenţa necesară este oţelul, de obicei oţel galvanizat pentru a asigura protecţia la coroziune. În ultimii ani au început să fie folosite tot mai mult materialele sintetice, cum este KEVLAR™ - produs al firmei DuPont, care înafară de de rezistenţa mărită au şi o greutate redusă şi o rezistenţă la coroziune intrinsecă. Materialele sintetice asigură nu numai rezistenţa mecanică , dar si protecţia mecanică a conductorilor electrici şi prin calităţile de plutire asigură o flotabilitate nulă întregului cablu. În momentul de faţă, firmele specializate oferă cabluri de legătură pentru orice aplicaţie indiferent de mărimea, scopul sau adâncimea de operare a robotului. Cablul de legătură este stocat pe un tambur care ajută la lansarea vehicului şi la recuperarea lui. Pentru o funţionare continuă şi corectă, tamburul este prevăzut cu contact circular, iar pentru lungimi mari de cablu şi cu un dispozitiv de lansare-recuperare.

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


55

CONCLUZII

Roboţii subacvatici reprezintă o categorie deosebită în domeniul larg al roboţilor cu aplicaţii militare, de securitate sau civile. Mediul lor de acţiune poate fi atât apele interioare sau marine, cât şi rezervoarele, conductele sau alte locuri în care inspecţia/intervenţia în mediul lichid este imposibilă sau prezintă pericol sau stres majore pentru om. Roboţii subacvatici au intrat în dotarea flotelor militare ale S.U.A. şi U.R.S.S. la începutul anilor ’60 ca un răspuns la nevoia crescândă de securitate sau de contramăsuri la acţiunile părţii adverse şi au cunoscut o dezvoltare constantă timp de 20 de ani, misiunile lor fiind preponderent militare. Odată cu dezvoltarea activităţilor comerciale în largul mărilor şi oceanelor (cercetări subacvatice, explorări şi exploatări petroliere), tehnologia a fost transferată firmelor particulare, ceea ce a dus la apariţia unor produse de mare diversitate, mai mici, mai fiabile şi mult mai ieftine. Dezvoltarea şi optimizarea roboţilor subacvatici telecomandaţi s-a facut mai ales prin aportul ştiinţific adus de institutele de profil (institute navale de cercetări sau de învăţământ), prin cooptarea în colectivele de cercetare atât a specialiştilor în domeniu cât şi a studenţilor. Obţinerea unor rezultate deosebite a fost impulsionată şi de organizarea unor concursuri anuale pe centre universitare sau pe regiuni geografice. Dezvoltarea unei adevărate industrii a submersibilelor telecomandate a dus, inevitabil şi la apariţia unei industrii foarte puternice a componentelor. Fructificând cercetările şi realizările din domeniul militar, după declasificarea acestora, firmele mici au dezvoltat o gamă largă de senzori diverşi, miniaturali, de înaltă performanţă. Roboţii subacvatici au devenit accesibili şi utilizatorilor individuali, datorită preţului mic şi caracteristicilor de performanţă. Studiile intreprinse de companiile de profil au arătata că, pe plan mondial, vânzările de roboţi subacvatici (de toate categoriile) au fost în anul 2006 în valoare de 800 milioane de dolari, iar în anul 2011 vânzările vor creşte la valoarea de 1,4 miliarde de dolari. În zilele noastre, o treime din economia mondială depinde de existenţa unui comerţ internaţional şi sistem de transport sigure, iar mările şi oceanele sunt căile cele mai ieftine şi mai folosite pentru transportul materiilor prime şi al produselor finite. În afară de aceasta, oceanele şi mările conţin multe rezerve naturale (petrol, gaze, minerale), de aceea siguranţa apelor, a rutelor maritime şi a porturilor sunt vitale pentru economia mondială şi economiile naţionale. Odată cu recrudescenţa terorismului internaţional, terorismul maritim, pirateria, atacul asupra instalaţiilor portuare etc. au devenit ameniţări asupra comerţului şi transportului mondiale. Instalaţiile energetice sunt ţintele predilecte pentru trupele de gherilă, terorişti (sponsorizaţi sau nu de stat), sabotori, activişti de mediu extremişti sau angajaţi nemulţumiţi. Acţiunile lor includ ameninţările cu bombă, plasarea de bombe, minarea căilor maritime sau a obiectivelor sensibile (nave, construcţii hidrotehnice – diguri, baraje, conducte), încercări de ocupare a obiectivelor (platforme marine, nave) sau furtul de echipament. Pentru înlăturarea ameninţărilor teroriste şi a consecinţelor lor, miniroboţii subacvatici au devenit o componentă constantă a sistemului de apărare, prevenire şi contracarare, astfel încât porturile, navele şi platformele de foraj marin să funcţioneze în deplină siguranţă. În urma studierii mai multor miniroboţi subacvatici existenţi pe plan mondial se pot desprinde două tipuri de configuraţii, care duc şi la variantele de echipare corespunzătoare: a) Minirobotul subacvatic construit pe un şasiu tip “ramă”, cu flotor, cu sistemul de propulsie în configuraţie “ în cruce” (desenul de la pag.33). Acesta este un minirobot de mare mobilitate, ceea ce duce la folosirea flexibilităţii propulsiei şi pentru orientarea camerei TV. Se elimină mecanismul pan/tilt care este destul de mare şi de greu, se reduc comenzile pe pupitrul de

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


56

comandă nemaifiind nevoie de comenzi separate pentrul controlul camerei TV. În acelaşi timp, mobilitaea foarte mare îi permite manevrarea în spaţii înguste. Necesită un soft specializat pentru a obţine performanţele maxime pentru acest tip de propulsie. Un produs care ilustrează foarte bine acest tip de configuraţie este cel al firmei bitanice AC-CESS, AC-ROV SP50 [09].

b) Minirobotul subacvatic al cărui şasiu este corpul etanş care asigură şi rezerva de flotabilitate. Propulsia este în configuraţia clasică prezentată la pag.33, iar corpul etanş permite utilizarea unui sistem camera TV-mecanism pan/tilt mai uşor. Toate componentele sunt în compartimentul etanş, ceea ce reduce problemele de proiectare şi construcţie. Este o configuraţie care utilizează tehnologii existente şi verificate şi care permite realizarea performanţelor avute în vedere prin termenii de referinţă.

Fundamentarea soluţiei constructive alese se va face prin calculele care vor fi prezentate în parte a doua a studiului (flotabilitate, stabilitate statică şi dinamică, stabilitatea deplasării în apă ş.a.). Va fi stabilită soluţia constructivă definitivă şi echiparea cea mai probabilă a modelului experimental.

SC ICPSP SA

Bucureşti


MRS-01


57

5. BIBLIOGRAFIE

01. Autonomous Underwater Vehicles : http://www.transit-port.net/Lists/AUVs.Org.html 02. CrustCrowler Robotics : http://www.crustcrawler.com/ 03. JW Fishers : http://www.jwfishers.com/rov.htm 04. ROV Comitte of the Marine Technology Society : http://www.rov.org/gallery/index.cfm 05. RoboProbe Technologies Inc. : http://www.roboprobe.com/Default.aspx 06. SeaBotix : http://www.seabotix.com/ 07. SonTek : http://www.sontek.com/ 08. BENTHOS Inc. : http://www.benthos.com/ 09. AC-CESS Co UK Ltd : http://www.ac-cess.com/ 10. Albatros Marine Technologies : http://www.albatrosmt.com/index.php 11. INDEL Partner Ltd. : http://www.gnom-rov.com/ 12. Inuktun : http://www.inuktun.com/ 13. Shark Marine Technologies Inc. : http://www.sharkmarine.com/ 14. SUB-FIND.com : http://www.sub-find.com/index.html 15. HAI (Hydroacoustics Inc.) : http://www.hydroacousticsinc.com/ 16. Flotation Technologies : http://www.flotec.com/ 17. DEEPSEA Poewr & Light : http://www.deepsea.com/ 18. Tritech International : http://www.tritech.co.uk/ 19. Watson Industries Inc. : http://www.watson-gyro.com/ 20. VideoRay: http://www.videoray.com/index.htm 21. OUTLAND TECHNOLOGY Inc. : http://www.outlandtech.com/ 22. Tecnadyne : http://www.tecnadyne.com/ 23. TSL Technology : http://www.tsltechnology.com/ 24. ICPE SICE : http://193.230.185.84/ro/proj/ 25. Ocean Modules : http://www.ocean-modules.com/ 26. SonaVision : http://www.sonavision.co.uk/ 27. ANU : http://serafina.anu.edu.au/ 28. Viorel Maier – Mecanica şi construcţia navei, vol.1 – Statica – Editura Tehnică – 1985 29. A. Bidoae , E Călina ş.a. – Construcţii metalice nave – - Editura Didactică şi Pedagogică - 1978 30 . D. Dinu , C. Vlad – Scafandri şi vehicule subacvatice - – Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică - 1986

http://www.transit-port.net/Lists/AUVs.Org.html

http://www.crustcrawler.com/

http://www.jwfishers.com/rov.htm

http://www.rov.org/gallery/index.cfm

http://www.roboprobe.com/Default.aspx

http://www.seabotix.com/

http://www.sontek.com/

http://www.benthos.com/

http://www.ac-cess.com/

http://www.albatrosmt.com/index.php

http://www.gnom-rov.com/

http://www.inuktun.com/

http://www.sharkmarine.com/

http://www.sub-find.com/index.html

http://www.hydroacousticsinc.com/

http://www.flotec.com/

http://www.deepsea.com/

http://www.tritech.co.uk/

http://www.watson-gyro.com/

http://www.videoray.com/index.htm

http://www.outlandtech.com/

http://www.tecnadyne.com/

http://www.tsltechnology.com/

http://193.230.185.84/ro/proj/

http://www.ocean-modules.com/

http://www.sonavision.co.uk/

http://serafina.anu.edu.au/

m m m m

SC ICPSP SA Cercetări privind realizarea unui minirobot subacvatic pentru NESECRET Bucureşti supravegherea şi inspectarea unor obiective de interes deosebit si a MRS-01

platformelor marine din apele teritoriale, împotriva acţiunilor teroriste

ROV Caract. Tehnice

VideoRay (USA) AC-CESS (UK) INDEL- Partner Ltd. (RUSIA) INUKTUN (CANADA)

Scout Explorer Pro Pro3XE Deep Blu AC ROV GNOM MICRO GNOM STANDARD SUPER GNOM SCALLOPAdancimea de operare 76 m 76 m 152 m 152 m 305 m 75 m 50 m 120 m 150 mViteza max 1,9 nd 1,9 nd 2,6 nd 2,6 nd 4,1 nd 2 nd 3 nd 4 nd 1,5 ndDimensiuni 305x225x210 305x225x210 305x225x210 305x225x210 m 361x279x210mm 203x162x146 mm 210x185x150 mm 310x180x150 mm 310x180x150 mm 350x230x216 mmGreutatea in aer 3,6 kg 4,05 kg 4,45 kg 4,45 kg 4,8 kg 3 kg 1,5 kg 3 kg 4 kg 3,6 kg

Sarcina utila 0,9 kg 0,9 kg 0,9 kg 0,9 kg 0,9 kg 0,2 kgCamere videoCamere color frontale • • • • • • • • • •Rezolutie 420linii/0,3 570linii/0,4 570linii/0,5 570linii/0,6 570linii/0,7 570linii/0,8 480linii/0,3 480linii/0,4 480linii/0,5 480linii/2Focalizare variabila • • • •Camera orientabila • • • • •Camera a/n spate • • • •IluminareProiectoare cu intensitate variabila • • • • • • • • • •PropulsiePropulsoare orizontale 1 1 2 2 1 3 4(3) 4 2Propulsoare verticale 1 1 1 1 1 1 1 1 1Aparate de navigatieCompas • • • • •Senzor de adancime • • • •Pupitru de comanda si controlAfisaj adancime • • • • •Cap-compas • • • • •Cablu de legaturaLungime 40 m 76 m 77 m 78 m 40 m 120 m 75 m 200 m 200 m 38 m

1/2

SC ICPSP SA Cercetări privind realizarea unui minirobot subacvatic pentru NESECRET Bucureşti supravegherea şi inspectarea unor obiective de interes deosebit si a MRS-01

platformelor marine din apele teritoriale, împotriva acţiunilor teroriste

ROV Caract. Tehnice

SEABOTIX (USA) ALBATROS (SPAIN) BENTHOS (USA) SUB-FIND.COM SHARKMARINE

(CANADA)[13]

OUTLAND TECHNOLOGY

(USA)

HYDROACUSTICS Inc.

(USA)[15]LVB 150BE LVB 300S LVB 600XL ALBATROS Micro-RSTINGRAY MINIROVER MK II SM 1000 STEALTH 2 MODEL 1000 PROTEUS 500

Adancimea de operare 150 m 300 m 600 m 50 m 350 m 304 m 304 m 150 m 152 mViteza max 2,75 nd 3 nd 4 nd 1 nd 1 nd 2 nd 3 ndDimensiuni 530x245x254 mm 530x245x254 mm 530x245x254 mm 310x240x195 mm 460x460x990 mm 760x500x420 mm 270x243x476 mm 760x561x471 mm 650x370x260 mm 610x380x380 mm

Greutatea in aer 11 kg 11 kg 14 kg 4,5 kg 32 kg 36 kg 16 kg 40 kg 17,7 kg 41 kg

Sarcina utila 2,5 kg 5,4 kg 2,3 kgCamere videoCamere color frontale • • • • • • • • • •Rezolutie 570linii/0,2 570linii/0,3 570linii/0,4 460linii/0,5 460linii/1 470linii/0,2 470linii 450linii 480linii/1 350 linii/2Focalizare variabila •Camera orientabila • • • • •Camera a/n spate • • • • • • •IluminareProiectoare cu intensitate variabila • • • • • • • •PropulsiePropulsoare orizontale 2 2 4 2 1 1 2+1 2 2+1 2+1Propulsoare verticale 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1Aparate de navigatieCompas • • • • •Senzor de adancime • • •Pupitru de comanda si control

Afisaj adancime • • • • •Cap-compas • • • • •Cablu de legaturaLungime 100 m 350 m 750 m 45 m 100 m 270 m 150 m 60 m 150 m 152 m

2/2

STUDIU MRS-01 Faza I

Documents

Transcript of STUDIU MRS-01 Faza I