Исследовать бездну

Томские ученые помогут освоить гидрокосмос

УЗНАТЬ ТАЙНЫ МИРОВОГО ОКЕАНА — ТАКАЯ АМБИЦИОЗНАЯ ЗАДАЧА СТОИТ СЕГОДНЯ ПЕРЕД НАШЕЙ СТРАНОЙ. ГИДРОКОСМОС, ПОКРЫВАЮЩИЙ ? ПОВЕРХНОСТИ НАШЕЙ ПЛАНЕТЫ, СУЛИТ ПРОЦВЕТАНИЕ БУДУЩЕМУ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА. УЖЕ В БЛИЖАЙШЕЕ ВРЕМЯ МИР СТОЛКНЕТСЯ С ОСТРОЙ НЕОБХОДИМОСТЬЮ ВСЕ БОЛЬШЕ ОСВАИВАТЬ ЭТИ КОЛОССАЛЬНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ. СДЕЛАТЬ ЭТО НАМНОГО СЛОЖНЕЕ, ЧЕМ ИССЛЕДОВАТЬ КОСМОС ИЛИ ИЗУЧИТЬ ДРУГИЕ ПЛАНЕТЫ. ОСВОЕНИЕ ГИДРОКОСМОСА — ЭТО НАСТОЯЩИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ВЫЗОВ, ОТВЕТИТЬ НА КОТОРЫЙ СТРЕМЯТСЯ И УЧЕНЫЕ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО В РАМКАХ НОВОГО МЕГАПРОЕКТА «ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ АВТОНОМНЫХ ПОДВОДНЫХ РОБОТОВ».

Подводные роботы

Что мы сегодня знаем о гидрокосмосе? Не так уж много. Мировой океан сейчас исследован меньше, чем космос. Не одно десятилетие ведущие мировые страны вкладывают колоссальные средства в программы по изучению гидрокосмоса. Но до сих пор глубины и дно Мирового океана практически не изучены. Ведь океанские глубины — враждебная среда для человека. Мы не способны выдержать давление, которое ожидает нас под водой. Поэтому все, что скрыто на больших глубинах, недоступно человеку. Много лет ученые пытаются заглянуть в бездну Мирового океана. Как же это сделать? Обитаемые подводные аппараты, например батискафы, оказались неэффективными. Они громоздки, требуют специального судна-носителя и подвергают риску жизнь членов экипажа. Широкое распространение в связи с этим получили управляемые необитаемые аппараты, сигналы на которые передаются по кабельным каналам связи. К сожалению, и у них есть значительные недостатки. Прежде всего — сам кабель, он ограничивает глубину погружения и дальность действий. Применяются они в первую очередь для аварийных и спасательных работ. В тех случаях, когда требуется оперативное управление по обстановке. Сегодня самыми перспективными считаются автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА).

Это такие самоходные объекты, небольшие корабли, способные без экипажа опускаться на глубину в несколько километров и перемещаться под водой. Аппараты снабжены исследовательской аппаратурой, устройствами для беспроводной передачи информации и изображения, в том числе оператору в центре управления.

АНПА работают по встроенной программе, погружаются в воду, выполняют поставленное задание и после этого возвращаются к обеспечивающему судну или береговой базе. Главными преимуществами подводных роботов называют высокую маневренность, способность погружаться на большие глубины, высокую производительность и т. д. Именно с помощью подводных роботов сегодня делают знаковые открытия в области изучения гидрокосмоса. А сколько еще тайн предстоит открыть этому чуду современной техники. Лидирующими странами в области АНПА являются Россия, США, Норвегия, Канада, Франция, Италия, Япония и Китай.

Вывести российские разработки в области морской робототехники на новый уровень и сделать их лучшими в мире — к такой амбициозной задаче сегодня приступили ученые ТПУ в новом мегапроекте «Телекоммуникационные системы мониторинга и управления для автономных подводных роботов».

— Перед нами стоят действительно непростые задачи, — рассказывает научный руководитель проекта, директор Института кибернетики ТПУ Алена Захарова. — Мы создаем аппаратно-программные комплексы, которые обеспечат реализацию новых технологических возможностей для следующего поколения автономных необитаемых подводных аппаратов.

Почему именно Томский политехнический занялся этой тематикой? Кажется странным, что наш сибирский университет, находящийся так далеко от всех морей, взялся за разработку технологической «начинки» для подводных роботов. Все дело в том, что именно ТПУ обладает колоссальным опытом в информационных технологиях, кибернетике, телекоммуникациях.

Например, в области телекоммуникационных систем Институт кибернетики работает уже не одно десятилетие, причем в рамках междисциплинарного взаимодействия. Разные кафедры и структурные подразделения участвуют в развитии этого направления. Именно на базе кадрового потенциала института 24 года назад была создана компания «ИНКОМ», которая является лидером в этой области.

Ключевой партнер

Главным партнером проекта ТПУ стал Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН, который является одним из основоположников направления морской робототехники. Руководит им выпускник ТПУ и гордость Института кибернетики — Леонид Наумов, член-корреспондент РАН, специалист в области вычислительных комплексов, систем и сетей, моделирования радиоэлектронных устройств. В Институте проблем морских технологий (ИПМТ) исследуются, разрабатываются и производятся автономные необитаемые подводные аппараты, которые могут полностью в автономном режиме вести наблюдение за подводной обстановкой, обрабатывать большие массивы информации. Он имеет 30-летний опыт в создании подводных роботов, активно применяемых в России и за рубежом. Здесь было изготовлено более 40 типов автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) для выполнения различных задач: научных, технических, экономических. Это фактически равно тому, сколько сделано подводных роботов во всем мире. Кстати, именно здесь, в ИПМТ, появился первый автономный необитаемый подводный аппарат «Скат-гео», после которого и начался бум в подводной робототехнике.

Спуститься в Марианскую впадину

Конечно, с развитием технологий ученые хотят, чтобы автономные аппараты могли опускаться на большую глубину и передавать больше информации. Очень важно уметь управлять не одним, а десятками и сотнями этих аппаратов одновременно. Именно в этом и могут помочь ученые политехнического. Специально для этого совместно с Институтом проблем морских технологий в ТПУ была открыта научно-исследовательская лаборатория телекоммуникаций, приборостроения и морской геологии. Она стала базовым структурным подразделением мегапроекта.

— Например, ставится амбициозная задача спуститься в Марианский желоб или, как принято говорить, Марианскую впадину, одну из самых глубоководных из известных на Земле — 12 000 метров, — говорит Алена Захарова. — Аппарат будет находиться в экстремальных условиях: большое давление, температурные аномалии, солености. Это очень агрессивная среда, а значит требования к технике, которая будет работать в этих условиях, серьезно повышаются.

Так, ученые Института кибернетики сегодня занимаются разработкой устойчивых к этим экстремальным условиям бортовых информационно-измерительных комплексов для оснащения подводных роботов: это датчики измерения, позиционирования, глубины, давления, температуры, магнитных полей, газового состава подводной среды и другие. Чем глубже опускается аппарат, тем важнее собрать за это экстремальное погружение как можно больше информации. Именно поэтому для роботов нового поколения в ТПУ создают уникальные электронные «мозги», чтобы электроника, которой оснащен аппарат, позволяла обеспечить энергосбережение, собрать и обработать наибольший объем информации.

— Одной из самых больших проблем для морской робототехники остается связь, — поясняет Владимир Ямпольский, главный научный сотрудник кафедры информатики и проектирования систем Института кибернетики. — В воде никаких сверхскоростных каналов связи, которые мы имеем в космосе или на Земле, нет. Там есть только гидроакустические каналы, которые менее приспособлены для скоростной передачи информации. На той микропроцессорной технике, которая сейчас есть в современных аппаратах, можно было бы выполнять большие задачи, но нет связи, или она невероятно замедлена. Аппарат способен собрать огромное количество информации, но передать он ее не может, пока не всплывет на поверхность, где появятся и радио, и спутник, и другие возможные каналы. И здесь важна проблематика гетерогенных каналов связи.

Одной из ключевых задач новой лаборатории телекоммуникаций, приборостроения и морской геологии Института кибернетики как раз является разработка гидроакустического модема для передачи информации от робота, находящегося на большой глубине, на поверхность. Макет модема политехники презентуют уже в конце этого года. Ученые хотят улучшить каналы связи и повысить их пропускную способность, создать для этого уникальное оборудование и программное обеспечение. В планах ученых создать канал для передачи видеосвязи с глубины.

Еще одна амбициозная цель, которую сегодня ставят перед собой политехники, — усовершенствование управления роботом как одним аппаратом, так и группой. Необходимо создать новые программно-информационные системы и средства, которые бы позволяли грамотно управлять подводными объектами сочетая централизованное и автоматическое управление.

От поиска новых форм жизни до освоения Арктики

Что же будут делать эти подводные роботы, оснащенные в том числе передовыми разработками политехников? Да все что угодно. Область применения АНПА весьма обширна. Это океанологические исследования, мониторинг водной среды, морская геологоразведка, инспекция подводных инженерных сооружений и трубопроводов, поисково-обследовательские и спасательные операции, охрана окружающей среды и марикультур (разведение морских водорослей, моллюсков, ракообразных, рыб и иглокожих в морях или в искусственных условиях).

Большие надежды на подводных роботов возлагают сегодня в связи с освоением Арктики. На слуху планы по созданию безлюдных многомодульных комплексов с полным производственным циклом — такие роботизированные подводные базы для добычи полезных ископаемых. Но в первую очередь роботы нужны, конечно, для исследования глубин, которые таят в себе столько неизведанного. Например, подводный робот, созданный в Институте проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН, во время исследований Северного Ледовитого океана на хребте Ломоносова обнаружил новые биологические объекты: червеобразные организмы длиной от 8 до 10 метров и шириной в полметра.

— Если снабдить аппараты андроидными технологиями, то можно существенно расширить спектр и качество исследований, — считает Алена Захарова. — Например, можно будет собирать образцы.

— Можно поместить на борту робота томографические комплексы, разработанные в Институте неразрушающего контроля ТПУ на основе бетатрона — самого маленького ускорителя электронов, тогда появится еще больше возможностей применения, — продолжает мысль Владимир Ямпольский. — Робот может открывать створки и сканировать томографом подводные объекты. Например, трубопровод на предмет утечек или неразорвавшуюся мину, оставшуюся со времен мировых войн. И так далее. Проблематика проекта настолько широка, что здесь смогут принять участие все подразделения университета. Это очень актуальное направление, которым сегодня занимаются десятки зарубежных компаний и лабораторий.

Подготовила Мария Алисова