Основная цель данного исследовательского проекта – разработать полуавтономный подводный аппарат для выполнения различных заданий (SAUVIM). В отличие от демонстрационных автономных подводных аппаратов (autonomous underwater vehicles (AUV)) SAUVIM будет обладать манипулятором. Ему потребуется сложная система управления и ряд точных датчиков, так как для проведения ряда работ по поддержанию и управлению станцией необходима очень малая погрешность в расчетах.

Большинство операций, в том числе проведение строительных или ремонтных работ, прокладку кабелей, обезвреживание мин и т.д. требует физического контакта с находящимися вокруг объектами в неструктурированной подводной среде. Такие операции всегда увеличивают риск повреждения аппарата, а также усложняют задачу инженерам, в отличие от демонстрационных задач неконтактного типа. Для выполнения заданий контактного типа аппарату необходим сложный роботизированный манипулятор, соответственно, вся система получает большое количество степеней свобод и систему, состоящую из нескольких блоков из-за взаимовлияния степеней подвижности, что обеспечивает высокую точность при проведении операций даже при наличии неизвестных внешних возмущений, например, подводных течений. Учитывая все вышесказанное, задача инженеров, разрабатывающих автономные подводные аппараты, не так проста. В настоящее время состояние разработок в области искусственного интеллекта еще не позволяет создать полностью автономный надежный аппарат.

Проект включает пять составляющих:

• Адаптивное, разумное планирование движения;
• Автоматическое измерение расстояния до объектов и определение их размеров;
• Разумное управление и координация движений/силы;
• Прогнозируемая виртуальная среда; и
• Конструкция SAUVIM.

Конструкция аппарата – фундаментальная задача первой стадии проекта. Это попытка разработать эффективные и надежные архитектуры аппаратного и программного обеспечений. Так как объем работ по задаче огромен, то она, в свою очередь, подразделяется на пять подзадач:

1. надежное распределенное управление (Reliable, Distributed Control (RDC));
2. набор датчиков (Mission Sensor Package (MSP));
3. метод анализа гидродинамического коэффициента лобового сопротивления (Hydrodynamic Drag Coefficient Analysis (HDCA));
4. метод механического анализа и производства (Mechanical Analysis and Fabrication (MAF)); и
5. механико-электрическое конструирование (Mechanical Analysis and Fabrication (MAF)).

Задача создания надежного распределенного управления может быть раскрыта как разработка надежной и эффективной вычислительной архитектуры для обработки сигналов и алгоритмов для всей системы SAUVIM. Предполагается, что будет использована многопроцессорная система на основе шины VMEbus и операционной системы VxWorks, работающей в режиме реального времени, так как производительность и отказоустойчивость этой системы достаточно высоки. В настоящее время в системе имеется из две шины VMEbus: система навигационного управления и система управления манипулятором. Основная шина VMEbus, или система управления навигации, включает в себя два процессора Motorola M68060, интерфейсную плату с несколькими портами RS232 и плату ввода/вывода с основанной на процессоре Pentium MMX платой PC104+, подключённой через порт RS232. Система управления навигацией осуществляет передачу данных, контроль, планирование, низкоуровневое управление, самодиагностику, обработку видеоизображений и т.д. Данные между двумя процессорами передаётся через совместно используемую память. Вторая шина VMEbus, или система управления манипулятором, включает в себя один процессор Motorola M68040 и плату ввода/вывода. Две платы PC104 последовательно подсоединены к этому процессору. Система управления манипулятором независима и используется, соответственно, для управления манипулятором. Уже было проведено тестирование многих компонентов аппаратного обеспечения вместе с соответствующими системами программного обеспечения. Для уменьшения затрат на связь и вычисления были внесены необходимые коррективы. Разработка этой части проекта продолжается.

Целью при разработке датчиков является создание аппаратом полунепрерывных записей глубины воды, температуры, удельной проводимости, солености, количества растворенного кислорода, магнитной активности морского дна, водородного показателя, а также мутности в то время, когда SAUVIM находится в режиме проведения исследований. В контактном режиме (режиме выполнения заданий) набор датчиков также композиционные параметры указанного объекта на дне, в том числе образцов, взятых как на входных, так и выходных отверстиях субмарины. Датчики – независимая система с собственным процессором с платом PC104 и источником энергоснабжения, находящаяся в отдельном отсеке. Все датчики уже закуплены и прошли первые полевые испытания. В настоящее время не прекращается проведение тестов, чтобы оптимизировать рабочие характеристики субмарины по сбору и обработке научных данных.

Метод анализа гидродинамического коэффициента лобового сопротивления используется для расчёта гидродинамических коэффициентов путём численного решения полного уравнения Навье-Стокса с помощью программы PHOENICS – коммерческого ПО по вычислительной гидродинамике. Первые результаты, полученные программой PHOENICS, смешанные. Обтекатель субмарины, относительно которого были проведены испытания, дал коэффициент лобового сопротивления 0,40; однако этот результат еще не проверен. В настоящее время проводятся испытания других частей кода и моделей по вычислительной гидродинамике, чтобы проверить точность результата расчета коэффициента лобового сопротивления, прежде чем устанавливать обтекатель на SAUVIM.

Метод механического анализа и производства ставит перед собой три цели. Основной целью является проектирование и изготовление составных сосудов высокого давления с концевыми пробками и соединительными отверстиями, пригодными для полноценной работы на океанических глубинах с учётом эффектов напряжения, продольного изгиба, гидротермических эффектов, а также анализа усталости конструкции. Две второстепенные цели заключаются в разработке и изготовлении обтекателей для полуавтономных подводных аппаратов, а также в изучении характеристик их несущих конструкций. Тщательное изучение и сравнение сосудов высокого давления Ti-6Al4V, AS4/Epoxy и AS4/PEEK демонстрирует преимущество композиционных материалов в весе, размере и прочности. С использованием данных результатов, была создана и протестирована масштабированная модель-прототип на базе AS4/PEEK. В настоящее время создается прототип величиной в одну треть от реального размера субмарины. Для испытаний субмарины в пресной воде были собраны сосуды высокого давления в полный размер, из стекловолокна с алюминиевыми концевыми пробками. Эти сосуды использовались для того, чтобы определить окончательное расположение всех элементов аппаратного обеспечения субмарины. На основе полученных данных был собран алюминиевый каркас. Далее было произведено усовершенствование сосуда высокого давления AS4/PEEK, предназначенный для работы на больших глубинах, который сейчас находится в стадии тестирования. Также разработчики провели первое тестирование обтекателя, и в настоящее время производятся оптимизационные работы.

Механико-электрическое конструирование – это интеграция механических и электрических компонентов субмарины. Во-первых, были определены технические и конструкционные характеристики обтекателя, формы, сосудов высокого давления для инструментария, систем управления плавучестью, роботизированного манипулятора и т.д. Во-вторых, после тщательного анализа основных компонентов SAUVIM, т.е. датчиков, приводов и инфраструктуры, в смысле потребляемых мощностей, совместимости, распределения веса, распределения плавучести, гидродинамических эффектов, а также эффективности, была проведена закупка всех компонентов. Были завершены технические чертежи каркаса и обтекателя субмарины, а также всех подструктур. Также завершены производство ряда механических и технических компонент и их интеграция в электрические схемы субмарины.