Спасательный подводный аппарат

Спасательный подводный аппарат

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к подводному судостроению, а именно к спасательным подводным аппаратам (СПА), оснащенным средствами позиционирования и электронным наблюдательным оборудованием со средствами подводного освещения, и может быть использовано при проведении подводных аварийно-спасательных работ с использованием камер посадки и присоса.

Известно применение средств подводного наружного освещения для подводных аппаратов (ПА) в целях обеспечения визуального наблюдения за подводной средой через иллюминаторы аппаратов, а также других оптических зрительных систем для телевизионного наблюдения, фотографирования и киносъемки, сигнализации. Подводное телевизионное наблюдение предусматривает использование источников света, достаточно мощных для создания требуемой освещенности катодов передающих телевизионных трубок. При проведении спасательных подводных операций их телевизионный контроль представляется наиболее эффективным, поскольку получение телевизионного изображения осуществляется в реальном времени (или с запоминанием) и с большой разрешающей способностью, что позволяет проводить наблюдения в непосредственной близости от ПА, где неэффективны гидролокаторы, и на расстояниях, при которых существует видимость, в условиях сильного рассеяния и флуктуации интенсивности света из-за наличия в среде структурных неоднородностей различного происхождения. Физические условия в реальной морской среде, такие как температура воды, вибрации аппарата, забортное давление, могут существенно ограничить возможности любых оптических или электронно-оптических наблюдений при малом по величине соотношении “сигнал-шум”. Эксперименты показывают, что дальность видимости при использовании телевизионной установки под водой зависит от коэффициента отражения, размеров наблюдаемого объекта и для условий Атлантического океана (тропики) составляет 18-24 м /Н.А.Стопцов, М.А.Груздев. Средства подводного освещения. Л., Судостроение, с.18-26/. Однако отношение “сигнал-шум” при использовании подводного телевизионного наблюдения может быть увеличено не только за счет усовершенствования светотехнических характеристик собственно источников подводного освещения, таких как тип источника света, максимальная осевая сила света, рассеяние света и направленность пучка света, тип отражателя, но и за счет специального построения схемы наблюдений для коррелированного приема сигналов и учета помех.

Известно использование телевизионной системы наблюдений на исследовательской подводной лодке РХ-15 (Жак Пикар, Франция), для обеспечения работы которой установлена система наружного освещения из 20 прожекторов мощностью 500-1000 Вт каждый, которые размещены в определенных точках снаружи прочного корпуса аппарата. При достаточной освещенности известная оптико-телевизионная система обеспечивает визуальный контроль забортной среды для сопутствующих действий оператора по корректировке сигналов системы управления подводным аппаратом, а также позволяет проводить некоторые подводные работы, например, с использованием манипулятора. Недостатком известной системы подводного освещения, как и аппарата в целом, является ограниченность функциональных возможностей, а именно отсутствие автоматического влияния системы подводного освещения на систему управления ПА, что не позволяет осуществлять программированные действия, например, при заданном позиционировании ПА.

Известно использование оптико-телевизионной системы наблюдения в обитаемых и дистанционно управляемых ПА, например, в ПА SHINKAI-2000, "JTV-1", “Dolphin-3К" (JAMSTEC) /M.Saeki, in "Ocean-84", v.2, p.917-920, IEEE, 1984/. Указанные подводные аппараты оснащены оптико-телевизионной системой контроля забортной среды, которая составлена цветными и черно-белыми телевизионными камерами, системой широкополосного стереотелевидения, неподвижно закрепленной камерой и источниками ее освещения, используемыми для визуального контроля среды и регистрации исследуемых характеристик, а также рабочими органами и автоматической системой поддержания глубины и направления хода. Однако при наличии акустической навигационной системы, которая обеспечивает движение подводного аппарата в пространстве, оптико-телевизионная система используется лишь для визуального изучения среды, накопления информации, выбора направления перемещения, управления манипулятором или другими устройствами и т.п., что ограничивает точность динамического позиционирования ПА.

Известен поисковый ПА, включающий корпус в форме эллипсоида вращения с движителями вертикального и горизонтального хода, и телекамеру, оптическая ось которой расположена в диаметральной плоскости аппарата и составляет с большой осью эллипсоида угол, равный половине угла обзора телекамеры, а линия метацентрической высоты аппарата образует с большей осью эллипсоида вращения угол, равный углу обзора телекамеры /патент РФ №2039678, МПК В 63 В 21/66, публ.20.07.95/. Телекамера, установка которой фиксирована, позволяет производить подводные наблюдения в широком телесном угле, однако ПА имеет при этом ограниченные функциональные возможности, поскольку информация, поступающая от телекамеры, не может быть непосредственно использована для автоматизации управления ПА при его динамическом позиционировании.

Известен спасательный ПА LR5, разработанный компанией Slingsby (Великобритания, 1978) для выполнения поисковых и спасательных работ на глубинах до 460 м, который в настоящее время используется в ВМС Великобритании для оказания помощи и спасения экипажей аварийных подводных лодок (ПЛ), лежащих на грунте, “сухим способом”, с помощью съемной камеры присоса, предназначенной для стыковки прочного корпуса спасательного подводного аппарата и аварийной подводной лодки /Е.Р.Агишев, М.А.Ерпулев, А.А.Ерпулев. Конструктивные особенности спасательного подводного аппарата LR5. Судостроение, 1998, №3, с.20-22/. Известный СПА включает прочный корпус цилиндрической формы, в агрегатном отсеке которого размещены системы управления движителем, включающие авторулевого, гидравлические системы и системы распределения энергии, вспомогательную систему управления движением аппарата при маневрировании вблизи аварийной ПЛ, динамическом позиционировании над ней и посадке на нее, состоящую из четырех забортных поворотных колонок с гребными винтами в насадках, а также съемную камеру присоса с опорным кольцом. При динамическом позиционировании ПА и подготовке к посадке на аварийную ПЛ, лежащую на грунте с креном и дифферентом, камеру присоса ориентируют относительно комингс-площадки ПЛ путем наклона опорного кольца камеры присоса на угол до 30 градусов (а при наличии специального клина - до 60 градусов), с обеспечением дифферента СПА при посадке на аварийную ПЛ в пределах +/-6,5 град. Для наблюдения за подводной средой в верхней части корпуса аппарата установлена прозрачная рубка из акрилового стекла, а в нижней части - в районе манипуляторов - цветная телекамера типа UMEL с 1334 строками, 70-мм фокусом, установленная на поворотно-наклоняющем устройстве. Для подводного освещения используют пять светильников мощностью по 1000 Вт. В известном СПА оптико-телевизионная система в составе телекамеры и светильников (осветительных элементов) использована лишь для визуальной оценки забортной обстановки и оценки результативности маневрирования (динамического позиционирования) СПА с помощью устройства отображения телевизионной информации, однако оно не оказывает влияния на систему маневрирования и динамического позиционирования, что не позволяет проводить позиционирование СПА и стыковку его с ПЛ в автоматическом режиме и достигать высокой точности динамического позиционирования с целью улучшения эксплуатационных характеристик СПА.

СПА, включающий корпус, размещенную в нем систему управления движением, установленные на корпусе вспомогательную систему маневрирования и динамического позиционирования, камеру присоса с опорным кольцом, систему наружного освещения с осветительными элементами, оптически сопряженную с ней оптико-телевизионную систему наружного наблюдения и устройство отображения телевизионной информации, выбран в качестве наиболее близкого аналога заявляемого изобретения.

Задача изобретения заключается в улучшении эксплуатационных характеристик СПА путем обеспечения высокоточного динамического позиционирования и выполнения маневрирования в автоматическом режиме с использованием оптико-телевизионной системы наружного наблюдения.

Задача решена тем, что в известном СПА, включающем корпус, размещенную в нем систему управления движением, установленные на корпусе камеру присоса с опорным кольцом, вспомогательную систему маневрирования и динамического позиционирования, систему наружного освещения с осветительными элементами, оптически сопряженную с ней оптико-телевизионную систему наружного наблюдения и устройство отображения телевизионной информации, в соответствии с изобретением система наружного освещения снабжена светомаркерами, оптико-телевизионная система наружного наблюдения выполнена в виде набора телевизионных камер, в котором по крайней мере часть телевизионных камер установлена для обеспечения дальнего обнаружения и размещена на корпусе СПА вблизи камеры присоса, а остальные телевизионные камеры установлены для обеспечения стыковки с аварийной ПЛ и размещены на камере присоса вокруг опорного кольца, причем все телевизионные камеры размещены с возможностью образования многоракурсных стереопар, при этом устройство отображения телевизионной информации выполнено автоматизированным и связано через систему управления движением со вспомогательной системой маневрирования и динамического позиционирования.

Кроме того, по крайней мере часть светомаркеров установлена на опорном кольце камеры присоса вдоль его периметра эквидистантно.

Кроме того, телевизионные камеры для обеспечения стыковки с аварийной ПЛ размещены с возможностью наблюдения опорного кольца.

Кроме того, телевизионные камеры для обеспечения дальнего обнаружения размещены с возможностью наблюдения опорного кольца и оптически сопряжены со светомаркерами, установленными на опорном кольце камеры присоса.

Кроме того, в качестве осветительных элементов выбраны галогенные лампы или светодиоды.

Кроме того, в качестве светомаркеров использованы пассивные светоотражатели.

Технический результат изобретения заключается в получении изображений аварийной ПЛ и ее комингс-площадки под разными ракурсами в стереопарах, образуемых телевизионными камерами для обеспечения стыковки и/или дальнего обнаружения, установленными заданным образом с учетом конструкции камеры присоса СПА, причем сопоставление получаемых телевизионных изображений позволяет вести контроль хода стыковки опорного кольца камеры присоса СПА с комингс-площадкой аварийной ПЛ с вычислением отклонений положения СПА относительно ПЛ автоматизированным устройством отображения телевизионной информации и формированием с использованием вычисленных данных управляющих команд в системе управления движением. Путем подачи команд системы управления движением на вспомогательную систему маневрирования и динамического позиционирования можно осуществлять автоматическое управление динамическим позиционированием СПА.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-3. На фиг.1 представлена принципиальная схема стыковки двухкорпусного СПА с аварийной ПЛ путем присоединения опорного кольца камеры присоса.

На фиг.2 представлена схема размещения в системе (СПА + камера присоса с цельным корпусом) оптико-телевизионной системы в составе телевизионных камер для дальнего обнаружения и для стыковки, образующих стереопары (вид сбоку в исходном положении; точками выделено поле зрения телевизионного приемника), на фиг.3 - то же, с фиг.2 (вид снизу).

СПА 1 содержит прочный корпус 2, легкий корпус 3, движительно-рулевой комплекс 4, размещенное в легком корпусе 3 устройство маневрирования и динамического позиционирования 5, выполненное в виде системы вертикальных и горизонтальных рулей. В прочном корпусе 2 размещена система управления движением 6, к прочному корпусу 2 присоединена камера присоса 7, с опорным кольцом 8, которое выполнено с возможностью контакта и присоса к комингс-площадке 9 аварийной ПЛ 10 (фиг.1).

Оптико-телевизионная система наружного наблюдения 11, условно представленная на фиг.1 двумя телевизионными камерами, в целом выполнена в виде набора телевизионных камер (фиг.2, 3) и связана оптически с излучающими и пассивными осветительными элементами системы наружного освещения. Телевизионные камеры 12 и 13 (фиг.2, 3) предназначены соответственно для обеспечения дальнего обнаружения аварийной ПЛ 10 и для обеспечения стыковки с нею камеры присоса 7. Они установлены определенным образом - с обеспечением пересечения их оптических осей (телесных углов зрения), что обеспечивает наблюдение объекта под разными ракурсами, т.е. с образованием стереопар. Стереопары позволяют сочетать два плоских частичных изображения объекта, полученных с двух разных точек зрения (разных ракурсов) посредством двух телевизионных камер, для получения объемного изображения предмета. Свойством стереоизображения, получаемого при рассмотрении объекта в различных парах ракурсов, является неизменность положения объекта в пространстве для любых положений наблюдателя. Таким образом, для получения надежного объемного изображения объекта необходимо и достаточно наблюдать объект по крайней мере в трех ракурсах, получаемых от трех телевизионных камер, которые можно попарно сочетать и путем корреляционной обработки принимаемых сигналов выделить информацию о пространственном положении или изменении положения объекта или его отдельных частей.

Схема расположения телевизионных камер выбирается с учетом конструкции используемой камеры присоса СПА. При выполнении камеры присоса 7 с цельным корпусом телевизионные приемники могут быть установлены как на корпусе СПА 1 (легкий корпус 3), так и на камере присоса 7. Поэтому при использовании камеры с цельным корпусом можно разместить на корпусе СПА 1 (легкий корпус 3) как весь набор телевизионных камер для обеспечения дальнего обнаружения 12, так и несколько или хотя бы одну камеру для обеспечения дальнего обнаружения 12, которые (которую) устанавливают на корпусе 3 вблизи камеры присоса 7 (фиг.2). Тогда (при наличии в наборе нескольких или хотя бы одной телевизионной камеры для обеспечения дальнего обнаружения 12) остальные телевизионные камеры служат телевизионными камерами для обеспечения стыковки 13, они установлены на камере присоса 7 вдоль периметра опорного кольца 8 симметрично относительно оси камеры присоса 7 и эквидистантно, с образованием стереопар стыковки (фиг.3), в том числе с камерами (камерой) 12. Оптические оси телевизионных камер для стыковки 13 ориентированы таким образом, чтобы край опорного кольца 8 попадал в поле зрения каждой камеры 13 (фиг.2, 3). В том случае, когда для обеспечения стыковки использованы три телевизионные камеры 13, их размещают в вершинах равностороннего треугольника, подобного вписанному в периметр опорного кольца 8 (фиг.3).

В случае использования на СПА 1 камеры присоса 7 с цельным корпусом могут быть установлены одновременно необходимые комплекты (по три) телевизионных камер 12 для обеспечения дальнего обнаружения и телевизионных камер 13 для обеспечения стыковки, обеспечивающих получение изображения комингс-площадки аварийной ПЛ 10 в стереопарах. Соответствующей коммутацией телевизионных камер 12 и 13 выбирают схему их подключения для реализации задач автоматизированной обработки телевизионной информации о позиционировании СПА 1 и коррекции положения СПА в динамическом режиме, а также для возможного дублирования используемых стереопар и повышения надежности стыковки.

Система наружного освещения включает осветительные элементы 14, необходимые для обеспечения работы телевизионных камер 12 и 13 оптико-телевизионной системы и размещенные на опорном кольце 8 равномерно вдоль его периметра, что позволяет создать необходимую засветку всех телевизионных камер и обеспечить локальную равномерную освещенность и видимость в области стыковки камеры присоса 7. При этом каждая телевизионная камера 12 или 13 (фиг.2) оптически взаимодействует с соответствующим оптическим элементом 14 - светильником, который также может быть составным, в зависимости от величины телесного угла засветки, и выполняет функции светомаркера. При установке только телевизионных камер 12, дающих стереопары дальнего обнаружения, каждая из них снабжается индивидуальным светильником, устанавливаемым любым известным способом, например, на штанге (на фиг.2, 3 не отмечены), а на камере присоса 7 вдоль периметра опорного кольца 8 устанавливают дополнительно оптические элементы 14 - светомаркеры, таким образом, что свет от них попадал в поле зрения соответствующей камеры 12, причем наименьшее количество светомаркеров - три.

В качестве осветительных элементов и светомаркеров могут быть использованы оптические приборы, излучающие свет на длинах волн около 5000 нм, с герметизированным источником света, предназначенные для стационарной установки на ПА. Такими приборами являются галогенные светильники и светодиодные светильники, обеспечивающие малое затухание светового пучка в воде. В качестве пассивных источников оптического излучения как светомаркеров могут быть применены световозвращающие элементы (отражатели).

Телевизионные камеры 12 и 13, осуществляющие наблюдение с обеспечением дальнего обнаружения и стыковки, соединены с подключенным к системе управления движением 6 автоматизированным устройством отображения телевизионного изображения 15. Конструкция устройства 15 соответствует применяемому способу обработки телевизионной информации и включает, в частности, мини-ЭВМ (микроЭВМ, персональный компьютер) с видеопроцессором, подключенные к телевизионным камерам, аналого-цифровой преобразователь иных, помимо телевизионных, получаемых сигналов (например, с датчиков скорости течения воды), также подключенный к мини-ЭВМ, запоминающие устройства, дисплеи, интерфейс. Устройство 15 должно обеспечивать проведение арифметических и логических операций над массивами данных телевизионных сигналов и физических параметров, накопление и хранение больших объемов информации, их статистический (корреляционный) анализ, геометрические преобразования изображений (масштабирование, трансформацию в картографическую проекцию), выработку информационного сигнала, подаваемого в систему управления движением. В частности, если динамическое позиционирование производится с использованием известного метода измерения смещения координат центра тяжести изображения объекта, в качестве которого выступает комингс-площадка аварийной ПЛ, то обработка телевизионного сигнала будет включать оцифровку телевизионного изображения, выбор опорных точек - изображений светомаркеров - для определения координат центра тяжести изображения объекта, вычисление искомых координат центра тяжести изображения, сравнение сигналов телевизионных стереопар при позиционировании СПА, суммирование сигналов по заданному алгоритму для определения изменения во времени искомой величины и выработку информационных сигналов рассогласования для линейных и угловых перемещений СПА с учетом параллельно измеряемых параметров среды вблизи аварийной ПЛ 10, которые поступают в систему управления движением 6. Сигналы рассогласования используются в системе 6 для формирования управляющих команд, подаваемых на подруливающие устройства и рули вспомогательного устройства маневрирования и динамического позиционирования 5. Для реализации описанного выше способа позиционирования по измерениям смещения центра тяжести изображения комингс-площадки 9 аварийной ПЛ 10 может быть использовано, например, известное устройство /патент РФ №2040120/, его взаимосвязь с системой управления движением 6 и через нее со вспомогательной системой маневрирования и динамического позиционирования 5 обеспечивает автоматизированное управление движением в реальном времени. В общем случае, устройство отображения телевизионной информации 15 может быть выполнено любым известным образом, позволяющим выполнять сравнительную обработку изображений от стереопар.

СПА 1 используют следующим образом.

СПА 1, движение которого обеспечено движительно-рулевым комплексом 4, выходит в район аварийной ПЛ 10 и занимает возможное или удобное для посадки на нее положение, например курсом против течения, и зависает над комингс-площадкой 9 при включенных осветительных элементах 14 системы наружного освещения, после чего начинается позиционирование камеры присоса 7, при котором добиваются установки опорного кольца 8 параллельно комингс-площадке 9. Для этого оптико-телевизионную систему наружного наблюдения 11 переводят в рабочий режим автоматического наведения и посадки аппарата 1, который определяется выбранной схемой установки телевизионных камер 12 и 13 или только 12, а также схемой обработки телевизионного изображения.

При использовании камеры присоса 7 с цельным корпусом, а также телевизионной камеры 12 для обеспечения дальнего обнаружения, установленного в нижней части легкого корпуса 3 двухкорпусного СПА 1, в совокупности с телевизионными камерами для обеспечения стыковки 13, установленными на корпусе камеры присоса 7, камеру 12 ориентируют в направлении комингс-площадки 9, причем угол зрения под водой составляет порядка 45 градусов. Для засветки этой камеры используют составной светильник 14, обеспечивающий необходимую интенсивность светового пучка, например две галогенных или четыре светодиодных источника света (в подводном исполнении), которые размещают на расстоянии не менее 2 м от приемника. По изображению с телевизионной камеры для дальнего обнаружения 12 определяют пространственное положение комингс-площадки 9 аварийной ПЛ 10 и подходят к ней, зависая на высоте 1-1,5 м. На этом расстоянии телевизионные камеры для обеспечения стыковки 13, ориентированные на наблюдение края опорного кольца 8 с опорным фланцем, захватывают в поле зрения также и люк на комингс-площадке 9, изображение от телевизионных камер поступает в устройство обработки телевизионного изображения 15, которое сопоставляет сигналы стереопар стыковки и по программе рассчитывает параметры взаимного расположения опорного кольца 8 и комингс-площадки 9 (расстояние между осями, углы наклона). При различии измеряемых параметров, свидетельствующих о пространственном разделении опорного кольца 8 и комингс-площадки 9, система управления 6 вырабатывает адекватный сигнал управления, подаваемый на вертикальные и горизонтальные рули вспомогательной системы маневрирования и динамического позиционирования 5. В результате СПА 1 ориентируют так, чтобы опорный фланец опорного кольца 8 камеры присоса 7 был параллелен комингс-площадке 9.

В режиме использования лишь телевизионных камер 12 для получения стереопар дальнего обнаружения (используют три телевизионные камеры 12) производят ориентацию СПА 1 относительно аварийной ПЛ 10, подход и позиционирование СПА 1 над комингс-площадкой 9 на высоте 1-1,5 м над ней. На таком расстоянии производят измерение угла наклона комингс-площадки 9 к плоскости установки каждой стереопары, после чего регистрируют телевизионное изображение светомаркеров 14 и определяют углы наклона опорного кольца 8 к плоскости установки каждой стереопары.

По полученным данным устройство отображения телевизионной информации 15 рассчитывает параметры взаимного расположения опорного кольца 8 и комингс-площадки 9 и вырабатывает сигналы управления, подаваемые на вертикальные и горизонтальные рули системы маневрирования и динамического позиционирования 5, за счет которых производится установка опорного кольца 8 параллельно и соосно люку на комингс-площадке 9 и дальнейшая стыковка камеры присоса 7 с аварийной ПЛ 10.

В случае использования вместо светодиодов 14 пассивных световозвращающих элементов, яркость которых значительно меньше, предусматривают установку их в количестве, по крайней мере вдвое превышающем количество светодиодов, для обеспечения требуемой точности измерений.

Опытная проверка работы оптико-телевизионной системы 11 в подводных условиях при моделировании стыковки СПА 9 с аварийной ПЛ 10 показала, что при частоте опроса телевизионного канала 5 Гц точность измерения линейных характеристик составляет не менее 1 см на дальности 2 м, а угловых - не ниже 2 градусов. Кроме того, удается регистрировать и учитывать в качестве помех угловые и линейные скорости перемещения посторонних объектов, которые попадают в поле зрения телевизионных камер, уже при их контрасте 5%, причем точность измерения этих скоростей составляет соответственно 5 мм/с и 0,1 угл.град/с, что повышает помехоустойчивость автоматизированного управления маневрированием ПА. Обработка телевизионных сигналов может производиться любым известным способом, применимым для решения поставленных задач. Конкретный выбор схемы включения телевизионных камер для получения стереопар дальнего обнаружения или стыковки, а также используемых светильников может быть произведен исходя из конкретных условий и длительности проведения работ, энергоресурсов ПА и аппаратурно-программных средств обработки сигналов.

1. Спасательный подводный аппарат, включающий корпус, размещенную в нем систему управления движением, установленные на прочном корпусе камеру присоса с опорным кольцом, вспомогательную систему маневрирования и динамического позиционирования, систему наружного освещения с осветительными элементами, оптически сопряженную с ней оптико-телевизионную систему наружного наблюдения и устройство отображения телевизионной информации, отличающийся тем, что система наружного освещения снабжена светомаркерами, оптико-телевизионная система наружного наблюдения выполнена в виде набора телевизионных камер, в котором, по крайней мере, часть телевизионных камер установлена для обеспечения дальнего обнаружения и размещена на корпусе спасательного подводного аппарата вблизи камеры присоса, а остальные телевизионные камеры установлены для обеспечения стыковки с аварийной подводной лодкой и размещены на камере присоса вокруг опорного кольца, причем все телевизионные камеры размещены с возможностью образования многоракурсных стереопар, при этом устройство отображения телевизионной информации выполнено автоматизированным и связано через систему управления движением со вспомогательной системой маневрирования и динамического позиционирования.

2. Спасательный подводный аппарат по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере, часть светомаркеров установлена на опорном кольце камеры присоса вдоль его периметра эквидистантно.

3. Спасательный подводный аппарат по п.1 или 2, отличающийся тем, что телевизионные камеры для обеспечения дальнего обнаружения размещены с возможностью наблюдения опорного кольца и оптически сопряжены со светомаркерами, установленными на опорном кольце камеры присоса.

4. Спасательный подводный аппарат по п.1, отличающийся тем, что телевизионные камеры для обеспечения стыковки с аварийной подводной лодкой размещены с возможностью наблюдения опорного кольца.

5. Спасательный подводный аппарат по п.1, отличающийся тем, что в качестве осветительных элементов выбраны галогенные лампы или светодиоды.

6. Спасательный подводный аппарат по п.1, отличающийся тем, что в качестве светомаркеров выбраны пассивные светоотражатели.