Исследование подо льдом (и хранение вашего AUV в одной части)

Люк Олден и Алекс Джонсон • 12 февраля 2020

Фото: ООО "Международная Подводная Техника"

В декабре 2019 года исполнился год с тех пор, как Университет Тасмании отправил построенный ISE AUV nupiri muka в Антарктику в рамках Партнерства Антарктических Ворот. Находясь там, он успешно завершил множество миссий по исследованию под ледником Сёрсдал. Какой лучший способ отпраздновать это достижение, чем отправить его обратно на победный круг в этом году!

Подледные миссии могут быть чрезвычайно сложными, и ISE накопил богатый опыт за 25 с лишним лет, с тех пор как он начал отправлять транспортные средства в полярные регионы. В дополнение к последней миссии в Антарктике, AUV ISE были в Арктике несколько раз. Примечательно, что два AUV ISE, созданные для канадского проекта Cornerstone, завершили 1000 км ледовых исследований в 2010 году, а для построенного ISE Project Spinnaker Тесей проложил 100-километровый оптоволоконный кабель.

Множество факторов привело к этим успешным операциям, и в этой статье мы обсудим некоторые присущие опасности работы под полярным льдом и то, как они были смягчены.

Почему в миссиях AUV сложно?
Каждый раз, когда AUV спускается, чтобы исследовать неизвестные регионы, есть Фото: International Submarine Engineering Ltd. Вероятность того, что это может быть потеряно. Даже для АНПА океан не дружелюбный. Ландшафт, по которому он перемещается, отображается только частично с высоким разрешением; мы знаем о поверхности Марса больше, чем о дна океана. При этом существуют способы минимизировать риски. Например, на поверхности всегда есть безопасность. Если AUV спроектирован так, чтобы быть слегка плавучим с аварийными весами падения, чтобы сделать его еще более тяжелым, то он может просто всплыть на поверхность в случае аварии. AUV также имеет набор датчиков, помогающих избежать препятствий и самого дна океана, чтобы он мог реагировать на местность под и перед ним. Положение AUV почти всегда известно с помощью отслеживания USBL и может передаваться через акустическая связь в течение всей операции. Это позволяет пилоту принимать важные решения, чтобы обеспечить безопасность AUV.

Почему подледные миссии сложны?
Нахождение под полярным льдом делает последствия неудачи намного выше. У вас нет защитной сетки поверхности, чтобы вернуться к ней, о местности известно меньше, и связь с AUV ограничена. Каждый раз, когда он сталкивается с трудностями, у него должны быть системы, которые позволяют ему восстанавливаться самостоятельно, без вмешательства человека.

Кроме того, отслеживание USBL не работает хорошо. Если что-то пойдет не так, вы не знаете, где находится AUV, и, скорее всего, его невозможно восстановить. Вы не только теряете многомиллионный актив, но вы не можете узнать, что пошло не так, чтобы улучшить его в следующий раз.

Даже после успешной миссии выздоровление не является надежной вещью, как обнаружил нупири мука в своих путешествиях по Антарктиде. Каждый день ему приходилось возвращаться на станцию Дэвиса через воды, полные плавающих айсбергов размером с машины.

Иногда единственный доступ к месту съемки будет через небольшую дыру во льду, которая перемещается на несколько километров в день, как это было в миссиях Cornerstone.

Это создает большое давление для обеспечения того, чтобы план миссии был правильным, и AUV мог адекватно реагировать на все ситуации.

Фото: International Submarine Engineering Ltd. Как мы можем уменьшить дополнительные риски?

Расширенная автономия: без относительной безопасности поверхности это основной инструмент, который ISE использует для обеспечения безопасности своих AUV. Это дает AUV возможность принимать контекстные решения на разных этапах плана миссии. Есть много сценариев, которые могут прервать миссию и изменить цель AUV, например, если возникает чрезвычайная ситуация и ей необходимо прервать миссию по самому безопасному маршруту. На основе установленных параметров AUV может определить, где находится наиболее подходящий. В начале операции это может быть просто, поскольку могут быть минимальные препятствия, однако в неизвестной области подо льдом самым безопасным вариантом может быть возврат к исходному состоянию, а не другие, возможно, более короткие варианты. В то время как под ледником Сёрсдаль это была именно та автономия, которой был снабжен нупири мука. Поскольку ледник является прибрежным, есть много мест, где мелкие воды могут ограничить его движение, поэтому возможность изменять свое поведение в зависимости от глубины воды имеет важное значение.

Кроме того, если один из датчиков AUV работает со сбоями, он может реагировать несколькими способами в зависимости от того, насколько важна неисправность: он может переключиться на резервный датчик или вернуться домой. Другие важные автономные функции включают в себя мониторинг уровня энергии и обеспечение возврата AUV домой до того, как разрядятся его батареи. Кроме того, наличие географических границ и таймеров для каждого раздела миссии гарантирует, что AUV может реагировать, если он занимает слишком много времени, чтобы завершить сегменты или покинуть территорию миссии.

Надежное оборудование: наличие правильного оборудования - еще один важный способ снижения рисков. Например, nupiri muka был оснащен многолучевым гидролокатором избегания препятствий, который позволял ему видеть не только то, что было перед ним, но и то, что было ниже и выше его. Его алгоритм уклонения был спроектирован так, чтобы реагировать соответствующим образом в зависимости от того, где было препятствие, поскольку простой подъем и поворот по правому борту не всегда является безопасным вариантом.

Чтобы повысить точность навигации, Nupiri Muka был также оборудован DVL для слежения за льдом в дополнение к слежению за океаном. Без этого он очень быстро потеряет точность позиционирования и, возможно, не сможет вернуться домой. У транспортного средства также был дополнительный акустический модем, направленный вниз, чтобы помочь улучшить связь в ситуациях, когда AUV был близко к поверхности льда. Чем больше пилот может помочь AUV, тем выше вероятность успеха.

Для Project Cornerstone AUV были развернуты через прорубь, которая двигалась на несколько километров в день. Автомобили были оснащены системой самонаведения, которая могла помочь им найти дорогу домой даже на расстоянии 100 км. Они также были оснащены системой переменного балласта, чтобы дать им возможность парковаться подо льдом и ждать, пока ROV доставит их на конечное расстояние до ледяной ямы. Чтобы минимизировать риски запуска и восстановления, эти AUV также были оснащены подводными разъемами для зарядки и загрузки данных.
Все это оборудование должно быть проверено и проверено - зрелые конструкции, используемые годами для обеспечения их надежности. Даже одна отказавшая система может выполнить или сломать миссию.

На пути к успеху.
Как мы видим, было много участников успешных миссий под лед. Наиболее обсуждаемые были в самих транспортных средствах, но важно помнить планирование и необходимый опыт также. Каждый раз, когда автомобиль отправляется, его план миссии должен быть тщательно рассмотрен лицами с полярным опытом. Имея это в виду - плюс немного крови, пота, слез и, возможно, немного удачи - нет никаких причин, по которым в будущем не будет больше успешных полярных миссий.

Авторы
Люк Олден, бакалавр машиностроения в International Submarine Engineering Ltd. Люк имеет более 10 лет опыта работы в машиностроении. Во время работы в ISE он принимал участие во многих дизайнерских проектах, включая интеграцию камер в AUV.

Люк Олден Алекс Джонсон Руководитель механического отдела PEng в International Submarine Engineering Ltd. Алекс управлял сборками Explorer AUV на 3000 и 6000 м, а также проектировал несколько систем AUV за 12 лет работы в ISE.

Алекс Джонсон