Дистанционно-управляемый подводный аппарат в форме квадрокоптера: особенности конструкции и системы управления

Обследование подводных объектов, таких как подводные археологические памятники, затонувшие технические объекты, технические сооружения, расположенные под водой, требует использования специально подготовленных водолазов, обитаемых или необитаемых дистанционно-управляемых или автономных подводных аппаратов. Относительно редко используемой конструкцией для таких подводных аппаратов является конструкция квадрокоптера с положительной плавучестью. В предлагаемой статье рассматривается конструкция и система управления подводного необитаемого дистанционно-управляемого аппарата в форме квадрокоптера. Целью работы является выбор и обоснование формы корпуса аппарата, оптимальной структуры системы управления с расчетом на последующее использование аппарата в качестве автономного. Описаны потенциальные преимущества выбранной конструкции в форме квадрокоптера с цилиндрическим корпусом, в частности, большой объем герметичного пространства аппарата, возможность установки емких источников питания, потенциальная возможность стабилизации аппарата в заданном положении при наличии течения в месте проведения работ. Герметичный корпус аппарата предназначен для размещения управляющей электроники, силовой электроники и элементов питания аппарата. Выбор и обоснование формы герметичного корпуса выполнены с использованием аппарата гидростатического моделирования и теоретической механики. В качестве формы герметичного корпуса аппарата выбран цельный цилиндр, выполненный из поликарбоната. Показано преимущество выбранной формы по сравнению с корпусом в форме параллелепипеда при условии одинаковых параметров материала. Управляющая система аппарата включает в себя программные и аппаратные компоненты. Обоснован выбор аппаратных компонентов, описаны их ключевые характеристики. В качестве управляющего устройства верхнего уровня выбран одноплатный компьютер (SBC, Single Board Computer) Orange Pi PC, непосредственно управление двигателями аппарата осуществляется при помощи микроконтроллера Cortex-M3. Описана архитектура программного обеспечения аппарата. Выбор архитектуры обусловлен требованиями слабой связности компонентов (что позволяет легко заменять отдельные элементы программного обеспечения без необходимости модификации остальных элементов), простотой потенциальной замены управляющих модулей верхнего уровня (что потенциально позволяет перейти от модели дистанционного управления аппаратом к автономной модели управления). Описаны отдельные компоненты программного обеспечения. Управляющая система реализована на языке высокого уровня Python версии 3.7, основой механизма управления является передача сообщений, в качестве среды обмена сообщениями выбран протокол MQTT с реализацией в виде сервера Mosquitto. Тестирование аппарата проводилось в бассейнах со стоячей водой и имитацией течения. Тестирование показало необходимость получения опыта для управления подводным аппаратом. Проведённое исследование позволит в дальнейшем разработать новую версию подводного аппарата с учётом пожеланий и выявленных проблем. (Русскоязычная версия представлена по адресу https://vestnik.sibsau.ru/articles/?id=677)