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

Введение. В 2016 г. историки-преподаватели СибГУ им. М. Ф. Решетнева Александр Гончаров и Николай Карелин отправились в научно-исследовательскую экспедицию на север Красноярского края в поисках затонувшего английского парохода «Темза», пройдя по реке Енисей и Енисейскому заливу [1]. В результате проведённых исследований было определено местоположение данного парохода, который находится в устье реки Сальная Курья [2].

Александром Гончаровым была предложена идея создать подводный аппарат с дистанционным управлением, предназначенный для обследования подводных объектов, представляющих культурную, историческую или иную ценность.

Команда разработчиков СибГУ им. М. Ф. Решетнева разработала концепцию необитаемого дистанционно-управляемого подводного аппарата в форме квадрокоптера. В 2018 г. прототип данного аппарата (рис. 1) совместно с программным обеспечением был разработан и представлен [3].

Рис. 1. Разработанный прототип подводного аппарата Fig. 1. Developed a prototype underwater vehicle

Основное предназначение данного подводного аппарата заключается в возможности проведения подводных археологических исследований.

Достоинством предлагаемой конструкции аппарата в форме квадрокоптера является способность удержания заданного положения и позиции в подвижной водной среде.

Оригинальность данной разработки заключается в совокупности следующих особенностей:

– в основе реализации конструкции подводного аппарата в форме квадрокоптера и его системы управления лежит идея реализации летательных аппаратов;

– для управления подводным аппаратом используется специальное программное обеспечение, доступное для использования на мобильных устройствах и персональных компьютерах;

– предлагаемая концепция подводного аппарата сочетает достоинства привязных и необитаемых подводных аппаратов.

Разработка корпуса. Несущий корпус подводного аппарата реализован в виде полого цилиндра, выполненного из пластика.

Такая форма позволяет выдерживать большое давление водяного столба, причем расчеты показывают, что предельная глубина погружения аппарата обусловлена не формой и материалом несущего корпуса, а особенностями герметизации боковых фланцев.

Первый прототип аппарата был реализован в виде соединённых с помощью муфты полипропиленовых труб, закрытых герметичными крышками.

Рассматривался также вариант корпуса, целиком выполненный с использованием технологий 3D-печати, однако анизотропность корпуса и его относительно малая структурная прочность заставили отказаться от этого подхода.

В дальнейшем предполагается реализовать корпус в виде единого элемента в форме цилиндра, выполненного из поликарбоната, внешним диаметром 110 мм и толщиной стенки 3 мм.

Для данного варианта были проведены расчеты прочности корпуса с использованием методики, опубликованной в [4; 5], показавшие структурную устойчивость корпуса при глубине погружениях до 100 м.

Шасси для компонентов, расположенных внутри корпуса, служит перфорированная металлическая пластина.

На пластине размещены следующие элементы:

– высокотоковый Li-ion (литий-ионный) аккумулятор, использующийся в качестве основного источника питания;

– бортовой компьютер Orange Pi PC;

– управляющий модуль MultiWii NanoWii на основе микроконтроллера с процессором ATmega32U4;

– четыре электронных регулятора скорости, управляющие бесколлекторными моторами, расположенными вне корпуса.

Металлическая пластина-шасси также служит теплоотводом, равномерно распределяя тепло, выделяющееся при работе регуляторов скорости, что способствует его отведению за пределы корпуса.

К основной части корпуса прикреплены два алюминиевых профиля квадратной формы, на концах которых установлены бесколлекторные двигатели с гребными винтами, предназначенные для движения аппарата в водной среде.

Некоторые элементы корпуса, включая гребные винты, были разработаны в программе трёхмерного моделирования OpenSCAD и напечатаны с помощью 3D-принтера. Данный подход при наличии 3D-принтера позволяет получить партию необходимых элементов с целью замены в случае их поломки.

Провода регуляторов скорости, соединяющие двигатели с бортовой системой управления, проведены через гермовводы (сальники), позволяющие предотвратить проникновение воды внутрь корпуса.

Важной задачей является передача видеоизображения с борта подводного аппарата. Для этих целей планируется установка бортовой камеры, подключенной к основному управляющему компьютеру. Это позволит использовать аппарат дистанционно, как телеуправляемый, а в перспективе позволит также реализовать систему автономного управления аппаратом.

Рассматриваются два способа установки камеры на аппарат: внутри несущего корпуса (поскольку он прозрачен), и в отдельном корпусе на внешних конструкциях аппарата. Каждый из подходов имеет свои достоинства и недостатки. Так, установка камеры внутри корпуса позволяет уменьшить число герметичных соединений, что повышает надежность аппарата в целом, однако приводит к необходимости постобработки изображения с камеры, поскольку цилиндрический корпус аппарата вносит искажения. Установка камеры снаружи позволит уменьшить искажения, вносимые корпусом аппарата (или, точнее, снижает требования к объему постобработки изображения с камеры, поскольку камеру предполагается разместить под сферическим куполом), однако создает потенциальные места протечек.

Также, предполагается выполнить оптимизацию формы модели гребного винта и корпуса аппарата [6].

Разработка системы управления. Основными компонентами системы управления являются:

– оператор, рабочее место которого расположено на борту экспедиционного корабля сопровождения или на берегу; рабочее место оборудовано средствами отображения видеопотока с борта подводного аппарата, а также органами управления;

– программный модуль управления верхнего уровня, принимающий команды оператора (или системы автономного управления) и транслирующий их в значения переменных пространства состояния аппарата;

– программное обеспечение низкоуровневого контроллера, обеспечивающего поддержание заданных значений переменных пространства состояния, управляющего работой электронных регуляторов скорости.

Рассмотрим компоненты системы управления подводного аппарата более подробно. Комплекс системы управления состоит из следующих компонентов:

• -    оператор, использующий устройство с установленным программным обеспечением, предназначенного для управления подводным аппаратом;

• -    управляющее устройство, в качестве которого может использоваться смартфон, планшет или персональный компьютер с установленным программным обеспечением, разработанным в рамках данного проекта, и предназначенным для отправки сообщений (команд) и приёма видеоизображения с бортовой камеры;

• -    Wi-Fi роутер, который используется для установки связи между управляющим устройством и бортовым компьютером;

• -    бортовой компьютер, предназначенный для трансляции видеоизображения с бортовой камеры и приёма сообщений (команд) с управляющего устройства с целью их передачи на контроллеры управления для передвижения аппарата;

• -    веб-камера, предназначенная для передачи видеоизображения с целью наблюдения за окружающей обстановкой;

• –    контроллер управления, который используется для передачи значений скорости и положения аппарата в пространстве регуляторам скорости ;

• -    регуляторы скорости (4 шт.), позволяющие осуществлять управление двигателями подводного аппарата с заданной тягой;

• –    двигатели (4 шт.), позволяющие выполнять движение подводного аппарата в водной среде.

На рис. 2 представлена схема взаимодействия компонентов комплекса системы управления.

Для движения аппарата в водной среде используются четыре регулятора скорости HobbyWing FlyFun 30A и подключенные к ним четыре бесколлекторных двигателя RCX D2830/14 750kv.

Питание электронных компонентов подводного аппарата осуществляется от высокотокового Li-ion (литий-ионного) аккумулятора ёмкостью 1800 мАч.

В качестве бортового компьютера используется одноплатный компьютер (микрокомпьютер) с операционной системой на базе ядра Linux. Изначально в прототипе подводного аппарата использовался микрокомпьютер Raspberry Pi Model B+, однако в дальнейшем он был заменён на модель Orange Pi PC для возможности установки и использования веб-камеры, предназначенной для наблюдения за окружающей обстановкой и (потенциально) распознавания объектов, поскольку для трансляции видеоизображения оптимального качества и работы системы компьютерного зрения требуется более высокая производительность.

Структура программного обеспечения аппарата изложена в работе [7].

Рис. 2. Схема взаимодействия компонентов комплекса системы управления Fig. 2. Diagram of interaction of components of the control system complex

На данный момент реализованы следующие механизмы управления подводным аппаратом:

• –    веб-сервер для использования джойстика (геймпада) посредством интерфейса Gamepad API;

• –    управление подводным аппаратом при помощи мобильного устройства с операционной системой Android.

Связь рабочего места оператора аппарата с управляющим приложением верхнего уровня реализована с использованием беспроводных и проводных технологий, включающих в себя сеть Wi-Fi для связи рабочего места оператора с Wi-Fi роутером, который, в свою очередь, Ethernet-кабелем связан с бортовым компьютером. Бортовой компьютер и Wi-Fi роутер используют проводное соединение с целью образования единой точки доступа. Таким образом обеспечивается необходимая гибкость связи всех компонентов системы.

Для обмена сообщениями (командами) между управляющим устройством и бортовым компьютером используется протокол MQTT с реализацией в виде сервера Mosquitto.

Для приёма сообщений по протоколу MQTT с управляющего устройства и их передачи на бортовой компьютер с последующей отправкой на управляющий двигателями контроллер была разработана программа на языке программирования Python, предназначенная для использования на бортовом компьютере.

Управление двигателями аппарата с заданными значениями осуществляется при помощи Arduino-совместимого контроллера управления MultiWii NanoWii. Используемое программное обеспечение позволяет циклично получать значения с бортового компьютера и передавать их на регуляторы скорости для управления двигателями аппарата с заданной тягой. Управление осуществляется в связанной системе координат (крен, тангаж, рыскание). Также программа позволяет удерживать горизонтальное положение аппарата в пространстве, используя значения гироскопа и акселерометра с сенсора MPU-6050, встроенного в контроллер управления. При отклонении подводного аппарата от горизонта скорость вращения соответствующих двигателей меняется автоматически с целью возвращения аппарата в горизонтальное положение. Эта способность позволяет защитить аппарат от возможности опрокидывания.

Для управления данным подводным аппаратом разрабатывается и тестируется программное обеспечение для мобильных устройств с операционной системой Android и персональных компьютеров с операционной системой Windows [8].

Программное обеспечение для управления подводным аппаратом позволяет выполнять следующие задачи:

• –    управление движением аппарата в водной среде;

• –    отображение потокового видеоизображения с установленной камеры;

• –    отображение информации, получаемой с установленных датчиков.

Осуществлять управление движением аппарата возможно с помощью интерфейса программы или подключенного джойстика (геймпада).

Тестирование. Данный подводный аппарат неоднократно был протестирован в бассейнах со стоячей водой и имитацией течения. Для тестирования аппарата на корпус были прикреплены два блина для штанги массами 0,2 и 0,5 кг, поскольку на данный момент конструкция аппарата обладает избыточной положительной плавучестью. В будущем это позволит оснастить аппарат дополнительным навесным оборудованием, таким как оборудование для отбора проб воды, датчиками температуры, солей и т. д.

Тестирование в бассейне со стоячей водой показало, что для управления подводным аппаратом необходимо иметь опытного оператора с навыками управления. Установленные двигатели имели высокий запас скорости, поэтому скорость двигателей была ограничена программным способом. При погружении аппарата на глубину до 6 м проблем не возникало.

После нескольких минут нахождения аппарата в водной среде, влаги внутри корпуса не наблюдалось.

Тестирование аппарата в бассейне с имитацией течения глубиной в полметра показало, что управлять подводным аппаратом в таких условиях сложно. Однако в данных условиях аппарат стабилизируется неплохо и способен активно передвигаться. После нескольких испытаний подводного аппарата проблемы, связанные с проникновением воды внутрь конструкции, отсутствовали.

На рис. 3 показан кадр с тестирования прототипа подводного аппарата в бассейне.

Рис. 3. Тестирование прототипа подводного аппарата Fig. 3. Testing the prototype of the underwater vehicle

Заключение. Разработанный прототип дистанционно-управляемого подводного аппарата в форме квадрокоптера позволил определить жизнеспособность выбранной конструкции аппарата и структуры его управляющей системы. В дальнейшем планируется разработать водонепроницаемый кейс для установки камеры, добавить необходимые датчики, а также установить осветительные приборы. В связи с установкой новых компонентов, система управления подводного аппарата и программное обеспечение будут дорабатываться. Проведённые исследования позволят в дальнейшем разработать новую версию подводного аппарата с учётом пожеланий и выявленных проблем.

Acknowledgment. The participants of this project express their gratitude to the Palace of Water Sports of Reshetnev Siberian State University of Science and Technology and the Department of Water Use of the Faculty of Forest Engineering of Reshetnev Siberian State University of Science and Technology for their assistance in testing the underwater vehicle.