“… истинное место судна хотя и известно, но оно не случайно,
оно есть, но неизвестно в какой точке.»
Алексишин В.Г. и др. Практическое судовождение, 2006. стр. 71
Этим материалом мы открываем цикл статей о практическом применении различных навигационных систем собственного производства.
Комплект длиннобазисной навигационной системы RedNav с серийным номером 1 был произведён и поставлен Заказчику летом далёкого теперь уже 2015 года. С тех пор мы продали несколько десятков таких комплектов, однако полноценные испытания на собственном роботе, несмотря на его наличие с 2017 года, мы не могли провести до апреля 2019 года, ввиду занятости разработкой, улучшением и производством как старых, так и новых приборов и систем. В этой статье мы исправим эту недоработку и расскажем, как это работает с точки зрения разработчика.
Постановка задачи
Летающие и катающиеся, ползающие по земле и плавающие на поверхности дроны передают видео со своих камер в реальном времени, а часто и GPS-координаты, и оператор без особого труда может узнать, где находится его аппарат, более того, частенько оператор может его непосредственно видеть.
С подводными аппаратами (ТНПА или ROV) все несколько иначе. Отпустив аппарат в воду, можно быть уверенным только в одном — он определенно под водой.
Чуть глубже в проблему
Аппараты бывают разных классов, делящихся по размерам и задачам. Самые простые и маленькие (как наш), осмотровые — представляют собой просто видеокамеру на кабеле с моторами. Более сложные и крупные могут быть оборудованы манипуляторами и прочими органами взаимодействия с внешней средой. Длины кабелей могут быть от десятков до сотни-другой метров у малых аппаратов и достигать тысяч метров у серьезных устройств так называемого рабочего класса.
Классическое управление ТНПА осуществляется по визульной обратной связи – оператор смотрит на изображение, передаваемое с камер аппарата по кабелю, часто их оборудуют гидролокаторами, так как часто видимость в зоне исследования/производства работ не превышает 1-3 метров.
Самый существенный недостаток такого подхода заключается в том, что по изображению на мониторе почти всегда нет возможности более-менее точно понять, где именно находится аппарат.
Подводная навигация
Борются с таким недостатком, применяя гидроакустические системы позиционирования. Как правило, ставят на аппарат пингер (прибор, периодически излучающий специальный сигнал) или маяк-ответчик. Сигнал пингера пеленгуют, определяют дистанцию, а потом, по углу (или двум углам — горизонтальному и вертикальному) прихода сигнала и дистанции определяют местоположение аппарата. Такие системы называют УКБ (сокращение от Ультракороткобазисные). Относятся они к угломерно-дальномерным и имеют целый список недостатков, особенно применительно к данной задаче.
Чтобы определить горизонтальный угол прихода сигнала ответчика или пингера нужна пеленгационная антенна. В старых системах необходимо также определять и вертикальный угол прихода сигнала, в новых системах, в том числе и в нашей, маяк-ответчик передает свою глубину, что упрощает задачу и повышает точность комплекса. Пеленгационная антенна — устройство само по себе непростое и требующее установки на штангу, которая должна крепиться на судно. По дальности, глубине и горизонтальному углу (или по дальности и двум углам) определяется только относительное положение аппарата. При этом точность падает с увеличением расстояния.
Точность определения угла зависит от:
- характеристик самой антенны и обычно составляет величину порядка 0.5-3°, а в самых продвинутых системах достигает 0.03°, но стоит это удовольствие очень немалых денег (более 150 000 евро). Напомним, что 1° на дистанции 1000 метров дает разброс в 17 метров (т.е. +/- 17 метров);
- от того, как хорошо определено положение самой антенны (крен и дифферент);
- от конкретных гидрологических условий. Например, можно запеленговать не прямой сигнал, а какое-то отражение или их сумму, таким образом определив угол прихода отраженного сигнала. А отразиться он мог от чего угодно — в том числе и совершенно с другого направления.
После того, как определена дистанция и угол прихода сигнала, нужно привязать все это к географическим координатам. Для этого нужно знать географическое положение пеленгационной антенны и направление ее нуля относительно истинного севера (то есть, надо еще иметь компас и GPS на антенне – систему курса и положения). После чего можно решить прямую геодезическую задачу и определить положение подводного аппарата в географических координатах.
С точки зрения точности использование длиннобазисной системы более предпочтительно, чем ультракороткобазисной. Мы рекомендуем применять УКБ систему только там, где нет возможности применять длиннобазисные системы. Например, когда позиционируется буксируемый объект, и нужно пройти очень большое расстояние. В этом случае перемещать элементы длинной базы придется очень часто и это приведет к затратам слишком большого количества времени и сил, или, другой пример, установить буи длинной базы на поверхности невозможно либо очень сложно из-за большой глубины в месте проведения работ. Во всех остальных случаях рекомендовано использование длиннобазисной навигационной системы RedNav — это надежнее и точнее, чем УКБ система.
В длиннобазисных (ДБ) системах навигационная база формируется несколькими разнесёнными в пространстве приемниками либо передатчиками. Наиболее известными примерами длиннобазисных навигационных систем являются GPS и ГЛОНАСС, но есть и другие спутниковые навигационные системы. Преимущество длиннобазисных гидроакустических навигационных систем – практически неизменная точность во всём «поле» внутри базы, они значительно менее подвержены влиянию качки и в целом обеспечивают гораздо более точные результаты по сравнению с УКБ системами.
В практике мы видим, что пользователи предпочитают приобретать и устанавливать УКБ системы, исходя из представления о том, что УКБ система более проста в развёртывании, чем ДБ-система. Это стереотип сложился в том числе и потому, что подавляющее большинство длиннобазисных систем, доступных на рынке, представлены лишь так называемой донной базой (элементы базы не плавучие, как у нас в RedNav, а устанавливаются на дно в месте проведения работ), установка которой требует существенных временнЫх и денежных затрат.
В нашей длиннобазисной системе мы сочетаем преимущества простой установки и высокой точности получаемого результата.
Подводный GPS
Вернемся к герою сегодняшнего испытания – системе RedNode. Навигационная система представлена собственно навигационной базой, образуемой четырьмя плавучими буями-ретрансляторами GNSS-сигнала:
Буи перед началом работ устанавливаются на водоеме при помощи якорей и веревки. Всё, что нужно сделать – это выпустить буй на якоре, перед этим включив его. Это действительно всё, что нужно сделать – никаких калибровок, предварительных синхронизаций и прочего – просто включить, и всё. Наши инженеры на испытаниях расставляют буи навигационной системы на вёсельной лодке менее, чем за полчаса.
Другой элемент системы — навигационный приемник, располагаемый на позиционируемом подводном объекте:
Навигационный приемник RedNODE (желтый цилиндр) установлен на корме аппарата. Он питается от бортовой сети робота и передает данные через кабель аппарата.
Так как буи только излучают, а приемники только принимают (работают по разностно-дальномерной схеме) – появляется возможность на одном комплекте буев в одной акватории обеспечивать работу любого количества таких приемников. То есть, одновременно осуществлять навигацию может целый флот подводных аппаратов и водолазов, каждый из которых будет получать собственное местоположение с номинальной частотой 1Гц.
Мы достаточно просто установили навигационный приемник и добавили немного плавучести, чтобы выровнять баланс робота.
Данные от приемника поступают в пульт управления, откуда есть возможность передать их в любой ноутбук через преобразователь RS232<->USB (на фото разъем “Sonar”).
Координаты в нашей длиннобазисной системе вырабатываются на приемнике (т.е. строго терминологически система является навигационной, а не системой позиционирования). Но так как ТНПА работают на кабеле, никаких особых проблем передать вычисленное на аппарате местоположение по кабелю наверх нет. Навигационный приемник системы может работать в режиме эмуляции обычного «сухопутного» GNSS-приемника, что позволяет подключать его напрямую к любому программному обеспечению, способному работать с GNSS-приёмниками (например, популярное приложение SAS.Planet прекрасно работает с нашим навигационным приёмником в онлайн-режиме).
Еще глубже
Испытательный стенд укомплектован достаточно просто:
- Подводный аппарат со 100-метровым кабелем, пультом управления и установленным навигационным приёмником RedNODE;
- Кейс с четырьмя буями RedBASE+ якорная система для каждого буя;
- Ноутбук с ПО SAS.Planet;
- Бензиновый генератор на 800 ватт;
- Двухместная надувная байдарка «Шуя».
При всей кажущейся простоте, работать с УКБ системой с этим плавсредством у нас бы не получилось — для крепления УКБ антенны нужна лодка достаточно больших размеров (чтобы противостоять качке) с жестким дном и штанга, жёстко закрепляемая на борту лодки. При этом все время работ потребовалось бы находиться на воде, что не всегда комфортно и приемлемо (низкая температура воздуха, ветер, волны).
«Пост управления» был развернут за 10 минут, и в нашем случае выглядел так:
Традиционно, все натурные испытания мы проводим в устье реки Пичуга, в месте ее впадения в Волгоградское водохранилище.
Погружаемся дальше
Как было упомянуто выше, время развёртывания системы на воде не превышает 30 минут. В этот раз два человека на вёсельном плавсредстве управились за 24 минуты, на вёслах, борясь с ветром и волнением.
На фото видно, как буи располагаются в маленькой надувной байдарке. Все четыре штуки.
Можно подумать, что погружение аппарата тоже производится с лодки, но это вовсе не обязательно и в разных условиях может осуществляться в том числе с берега: аппарат просто заносится в воду:
А вот и первые картинки подводного мира:
Да, это вам не Красное море. Вода кажется прозрачной, но по факту видимость у берега не превышает 1-2 метров.
Мы были расстроены, но факт остаётся фактом: управлять ТНПА только по картинке совершенно не представляется возможным, ввиду крайне низкой видимости в воде.
Желающие своими глазами оценить видимость под водой в месте проведения испытаний могут сделать это, просмотрев запись с камеры аппарата:
Запись дана без какой-либо обработки и монтажа. Желающие могут самостоятельно прийти к выводу об удобстве управления и совершения осмысленных действий под водой (например, поиска чего-либо) только по изображению с камеры, без навигации.
А вот и первое касание дна, и элементы «лунного пейзажа» на глубине 13 метров:
Буквально через пару секунд, проплыв немного вперед, аппарат уперся в затопленное бревно, обросшее мелкими ракушками:
Сценарий испытаний предполагал такую последовательность действий: с лодки затапливается легкозаметный объект, координаты места затопления сохраняются при помощи телефона, задача оператора – по данным навигационной системы прийти в место затопления роботом и попытаться визуально обнаружить затопленный предмет.
Мы пришли к выводу, что управлять аппаратом только по изображению с камеры совершенно невозможно; в основном мы руководствовались нашей навигационной системой, в онлайн выдававшей текущее местоположение аппарата на карте.
Специалистов порадует разрешающая способность системы в реальном водоеме, которая составляет порядка 30 сантиметров, что видно по сетке, которая получилась в результате определения позиции:
Как и в других подобных испытаниях, разброс точек при движении ложится в диапазон 1-1,5 метра, что обеспечивает достаточную точность для проведения большинства осмотровых работ:
Итоговый трек движения аппарата выглядит вот таким образом:
Мы немного не рассчитали место проведения работ и почти половина трека (левая часть от красных линий) лежит вне навигационной базы, т.е. вне фигуры буёв, где система должна работать гораздо хуже. Однако, за исключением нескольких выбросов, система отработала с очень высокой точностью.
В один из проходов аппарат шел очень близко к предполагаемому месту затопления объекта:
Но внимательно просмотрев час с лишним видео, записанным бортовой камерой аппарата, мы ни разу не увидели наш искомый объект, что косвенно подтверждает наши наблюдения о невозможности выполнения сколь-либо осмысленных действий, полагаясь только на видеоизображение.
Видеоотчет с наших испытаний:
Приглашаем вас к обсуждению этой статьи! По ссылке треки, полученные в ходе этих испытаний, в формате kml, для самостоятельного изучения.