Нишу автономных судов ожидает такой же взрыв развития, как мы наблюдаем в последние годы в сегменте БПЛА. Тысячи компактных беспилотников будут годами находиться в океане. Причем речь идет исключительно о мирных исследовательских целях и мониторинге.

Представьте, что вам нужно отслеживать параметры среды, следить за течениями, перемещением рыбы, составлять подробные карты глубин, изучать морское дно и отдельные подводные объекты или явления. Фрахт научно-исследовательского судна — это сезонно и очень дорого. Буквально в десятки раз дороже, чем разместить автономные беспилотники с необходимым набором оборудования и малыми исследовательскими дронами на борту.

Ниже небольшой рассказ про отечественный проект подобных судов.

Это еще один проект, который я вытащила из недр акселератора Архипелаг 2022. Официальное название — «Морской маркер». Ведут его совместно «МорРоботСистемс» и Астраханский государственный университет. Если все пойдет по плану, в следующем году начнется серийное производство.


Базовый вариант морского беспилотника
Базовый вариант морского беспилотника

Беспилотников уже много, но они «ручные»

Вариаций надводных автономных судов вокруг полно, но большая часть рассчитана на работу в связке с обслуживающим персоналом в порту или на научно-исследовательском судне. Данный проект предполагает, что робот отправляется в плавание самостоятельно без такой поддержки.

Миссия беспилотника дольше и обходится дешевле экспедиции на научно-исследовательском судне. Робот может собрать полный пакет данных, которые хотелось бы иметь морскому исследователю, в том числе те, которые в принципе невозможно получить на большом научно-исследовательском судне. Например, отследить миграцию рыб без влияния винтов и шума судового двигателя. С помощью беспилотника можно проводить комплексные исследования процессов в динамике.

Какие данные можно собирать

В теории можно получить практически все, что измеряется датчиками и камерами:

  • метеорологические данные, включая состав воздуха;

  • данные о магнитном поле;

  • данные о поверхности воды — измерять высоту и период волны, фиксировать наличие посторонних объектов на поверхности;

  • данные об объектах под водой — все, что касается движения любых рыб и млекопитающих, а также данные кадрирования дна для определения его структуры и ландшафта.

На борту может быть размещен небольшой привязной коптер. В морской среде обеспечить стабильную посадку на палубу автономного коптера будет сложно. С этим не всегда справляется опытный пилот. Но привязной БПЛА вполне сможет работать в таких условиях и вернуться на базу даже во время сильного волнения. 

Если такой БПЛА оснастить гиперспектральной камерой, с его помощью можно исследовать объекты на поверхности моря, вплоть до их химического состава.

Аналогично в сборе данных может участвовать автономный необитаемый подводный аппарат (АНПА). Он обеспечит съемку, сбор проб донного грунта и воды на разных глубинах.

Возможности морского робота и его экосистемы
Возможности морского робота и его экосистемы

Но это в теории. Реальные заказчики оказались прагматичнее, поэтому в базовый состав оборудования вошли:

  • гидрологические датчики;

  • все, что касается сбора метеоданных;

  • оборудование для кадрирования дна;

  • блок передачи данных.

Этот список повлиял на многие конструктивные и инженерные решения.

Хотели максимальной автономности

В итоге требуется судно, ориентированное на работу в океанической среде, удаленной от прибрежной территории, с автономными походами до 365 дней.

Робот, который не поддерживает такую длительную автономку, привязывает себя либо к порту приписки, либо к научно-исследовательскому судну. В обоих вариантах получается, что это уже не беспилотные исследования, а просто дополнительный инструмент для работы в море. На этом рынке уже довольно тесно.

Сравнение с другими дронами по скорости и автономности
Сравнение с другими дронами по скорости и автономности

Для работы исследовательского оборудования потребуется относительно много энергии. По предварительным оценкам, системы жизнеобеспечения судна должны потреблять примерно 200 Вт мощности. Кроме того, разработчики поставили для себя рубеж в 72 часа полной автономности судна без возможности подзарядки. 

Итоговые расчеты показали, что для бесперебойной работы систем необходима установка солнечных панелей мощностью примерно 1 кВт. Часть из них разместится на парусе. Чтобы монокристаллы выдерживали длительное воздействие соленой влаги, их покроют специальной пленкой, пропускающей свет в нужном диапазоне длины волны. Аналогичное решение использовали в проекте по размещению автономных буев на Балтике. Его тогда делала компания «Телеком-СТВ», которая спроектировала энергосистему и для нынешнего проекта.

«Энергетическая» теория была подкреплена практикой в рамках проекта «Эковолна» — это первый в России электрокатамаран на солнечных батареях, который своим ходом дошел из Балтики в Каспий. В его активе были панели мощностью 11 кВт, питающие пару электродвигателей общей мощностью 8 кВт и аккумуляторную батарею емкостью 70 кВт·ч.

Катамаран «Эковолна» во время презентации в Санкт-Петербурге в 2018 году
Катамаран «Эковолна» во время презентации в Санкт-Петербурге в 2018 году

При проектировании своего робота группа имела возможность наблюдать, как «Эковолна» ведет себя в эксплуатации, поскольку после «исторического» перехода из Балтики он остался на Северном Каспии в качестве опытного полигона.

Парус-крыло и принципы управления

Один из уникальных элементов — жесткий парус-крыло из композитных радиопрозрачных материалов, используемый для движения и управления судном, а заодно для размещения ряда датчиков и солнечных панелей.

Конструкция паруса-крыла сходна с конструкцией крыла самолета. При вертикальном размещении оно создает тягу в горизонтальном направлении
Конструкция паруса-крыла сходна с конструкцией крыла самолета. При вертикальном размещении оно создает тягу в горизонтальном направлении

На робот возможно установить парус высотой от трех до шести метров — в зависимости от задач, акватории и ветровых потоков. Используя воздушные потоки, парус-крыло может разгонять судно до ~24 км/ч.

Парус поворачивают сервоприводами. Дополнительно конструкторы предусмотрели систему фиксации, которая отвечает за удержание курса движения.

На парусе есть флаперон (по аналогии с самолетным крылом), который позволяет удерживать судно на курсе или немного корректировать этот курс, не поворачивая большой парус. Флаперон помогает добиваться максимальной тяги в заданном направлении.

При разработке паруса основной задачей было научиться правильно реагировать на изменения ветра в акватории. Команда не ставила условие двигаться под парусом строго по заданной траектории. Поэтому в зависимости от текущей ветровой нагрузки робот сам выбирает оптимальный курс движения, находясь в оговоренном периметре. Для работы автоматики на судне размещен приемник ГЛОНАСС/GPS, а также инерциальная навигационная система. Она же помогает ювелирно настраивать работу паруса-крыла.

На экстренный случай у робота есть электромотор, который может зафиксировать судно в определенной точке на короткий промежуток времени — например, если нужно снять данные. Иного способа фиксации (якоря) не предусмотрено, равно как и длительного перемещения на электротяге.

По проекту робота можно пилотировать дистанционно: оператор дает задание, в какую зону переместиться или как скорректировать текущий курс.

В панели оператора отображается текущее состояние лодки (уровень заряда батареи, работа солнечных панелей, глубина) и кнопки задания маршрута
В панели оператора отображается текущее состояние лодки (уровень заряда батареи, работа солнечных панелей, глубина) и кнопки задания маршрута

С точки зрения навигации в районе действующих морских путей парус очень удобен: по правилам такие суда имеют один из самых высоких приоритетов в движении. Однако у команды нет расчета на то, что робота все будут пропускать. Для навигации в реальных условиях будут использовать систему машинного зрения — распознавание объектов на поверхности воды. Нейросеть будет обучаться на изображениях морских объектов из интернета, а также на фотографиях, снятых на Волге проектной командой.

Примеры распознавания объектов
Примеры распознавания объектов

Корпус и компоновка

Ориентируясь на максимальную жизнеспособность, робота решили делать монокорпусным. Помимо хорошей проработки яхтенным сообществом, такая конструкция обеспечивает максимальный угол атаки относительно ветра, то есть дает больше возможностей для выбора курса.

Как и любая яхта, судно имеет киль с противовесом. Компоновку рассчитывали таким образом, чтобы центр тяжести оказался как можно ниже. 

По условиям задачи в случае опрокидывания робота (для морских яхт это штатное явление) он должен возвращаться в исходное состояние и продолжать движение, не нанося себе ущерба. В итоге корпус должен выдерживать шторм до 9–11 баллов по шкале Бофорта. Для сравнения: пилотируемые научно-исследовательские суда останавливают изыскания при шести баллах.

Схема корпуса морского робота
Схема корпуса морского робота
Силовой набор корпуса
Силовой набор корпуса

Общая длина корпуса — 5,5 м. 

Композитные материалы обеспечивают минимальный вес, ведь вместе со всем оборудованием требовалось уложиться в 200 кг, чтобы судно не требовало регистрации в ГИМС.

Помимо обязательного оборудования, в корпусе заложили технологический люк для привязного БПЛА. Его разрабатывают совместно с одним из подразделений РАН. Он сможет подниматься на высоту до 50–100 метров и выполнять роль ретрансляционной антенны, а заодно собирать данные над поверхностью моря.

Аналогично в проекте появился крепеж для АНПА (автономного необитаемого подводного аппарата). У завода «Электроприбор» есть интересные наработки в этом направлении: АНПА с возможностью длительного нахождения под водой и достижения высоких скоростей перемещения за счет химических электрогенераторов. Возможно, эти наработки войдут в перечень штатного оборудования морского робота на следующих этапах.

Компоновка морского робота
Компоновка морского робота

На какой стадии проект

Сейчас идет предсборочный этап. На нем отдельные узлы проверяют на совместимость. Для создания прототипа принципиально не планировали использовать разработанные в единственном экземпляре экспериментальные компоненты.

Современная история знает слишком много примеров того, как отличный опытно-промышленный образец так и не вышел в серию, потому что никто не понимал, как перейти к тиражируемому проекту. Чтобы не застрять на этой стадии, сразу подбирали серийно выпускаемые решения.

К концу года все необходимое окажется на складе и начнется сборка первого опытно-промышленного образца. В команде многие надеются на старт испытаний уже в январе, поскольку в Астрахани в это время частенько не бывает льда на реках.

По результатам испытаний, скорее всего, потребуется лишь минимальная доработка и шлифовка проекта под задачи конкретного покупателя, после чего в 2023 году можно будет перейти к серийному производству.

Первая партия роботов будет передавать данные через спутник. Европейские спутники с дешевой связью сейчас недоступны, поэтому данные будут фильтровать и предобрабатывать прямо на борту робота, чтобы сократить объем трафика. Первая версия электроники для решения такой задачи требовала дополнительного охлаждения и в целом была низкопроизводительна. Поэтому пришлось собирать более мощную систему.

Стоимость робота ожидается на уровне 20 млн рублей. Для сравнения: стоимость строительства двух заложенных в 2021 году научно-исследовательских кораблей, рассчитанных на автономность до 50 суток, — 28,4 млрд рублей. При такой разнице в бюджетах у морских беспилотников уже есть пара заинтересованных потенциальных заказчиков, которые имеют собственный опыт морских разработок и готовы участвовать в инженерных изысканиях.

Сравнение с конкурентами по цене
Сравнение с конкурентами по цене

Катамаран и тримаран

Конструктивно катамаран больше подходит в качестве основы для робота. Он позволяет нести больше оборудования, что важно для выполнения прибрежных задач.

В отличие от монокорпусного «автономного» проекта, в сфере «прибрежной» работы в разы больше конкурентов, которые уже вывели на рынок свои готовые решения. Поскольку такая техника всегда находится рядом с базой, катамаран или тримаран реализуют в полностью аккумуляторном варианте или с двигателем внутреннего сгорания.

В поисках своей ниши и на этом рынке разработчики решили оставить парус-крыло для увеличения автономности в прибрежной зоне. А форм-фактор с дополнительными поплавками — это способ увеличить площадь для размещения солнечных батарей, чтобы питать все оборудование, находящееся на борту. Катамаран позволяет прийти к выработке 2,2 кВт энергии, а тримаран — 3,3 кВт.

Макет тримарана, заказанный у одной из дизайн-студий
Макет тримарана, заказанный у одной из дизайн-студий

Перспективы

После запуска роботов в серию из них можно формировать сети, которые взаимодействуют друг с другом, дополняя собранную информацию данными дистанционного зондирования Земли. Таких комплексных исследований пока нет ни у кого.

В целом команда считает, что нишу автономных судов ожидает такой же взрыв развития, как мы наблюдаем в последние годы в сегменте БПЛА. Лет 15 назад летающий беспилотник был диковинкой, а сейчас они уже готовы доставлять посылки, следят за дорожным движением и выполняют массу другой полезной работы.

Поэтому команда проекта потратила много сил на экономические и маркетинговые исследования, чтобы понять, как формируется стоимость информации и сколько будут стоить данные, собранные в море. Уже сейчас видно несколько потенциально выгодных направлений. Можно не только строить автономные суда, но и сдавать их в аренду, взяв на себя все риски сервиса, или продавать только собранные данные.

Идея автономного робота получила поддержку в 2020 году на Форуме «Сильные идеи для нового времени». В 2021 году его поддержало Министерство науки и высшего образования РФ в рамках программы «Приоритет-2030». Возможно, проект будет частично профинансирован НТИ.

Комментарии (25)


  1. CrashLogger
    22.11.2022 20:25

    А что там стоит 20 миллионов ? Или это с учетом всех работ по проектированию ?


    1. GeorgKDeft
      22.11.2022 20:39
      +1

      Поэтому команда проекта потратила много сил на экономические и маркетинговые исследования, чтобы понять, как формируется стоимость информации и сколько будут стоить данные, собранные в море.

      Может это? Так сказать затраты на исследования включены в стоимость.


  1. Bedal
    22.11.2022 21:54
    +4

    А зачем парусу радиопрозрачность? Чтобы его чаще переезжали, не заметив?


    1. WondeRu
      22.11.2022 22:32

      Возможно, чтобы не мешала своему радару


      1. Bedal
        23.11.2022 10:49

        свой радар смотрит в небо? Похоже, нет. К тому же, сильно подозреваю, что формально радиопрозрачный парус, расположенный вплотную к антенне и потому перекрывающий большой сектор, а также дважды создающий помеху (и испускаемый, и отражённый сигнал должны через него пройти) - всяко будет неполезен радару. Хотя бы потому, что намок - и перестал быть радиопрозрачным.


        1. lyekka
          23.11.2022 12:03

          Радар перенести на самую высокую точку - на мачту.


          1. Bedal
            23.11.2022 13:57

            дык, так все разумные и делают.


    1. vdp
      23.11.2022 01:45
      +5

      Похоже это тот случай, когда правильно заданный вопрос содержит в себе ответ.

      "-Что Вы, что вы, мы мирный атом"


      1. Bedal
        23.11.2022 10:52

        или так...


    1. LightTool
      23.11.2022 08:53

      На схеме видно, что там антенны и аппаратура связи внутри. Речь идет про сеть беспилотников, да еще со спутниковой связью.


      1. Bedal
        23.11.2022 10:54

        Любой парус будет значительную часть времени мокрым - и, значит, не радиопрозрачным. Что ещё хуже - неравномерной прозрачности.

        Тогда зачем этого добиваться? Ради периода хорошей погоды? Вопросы связи, радаров и т.п. вполне решаются на существующих яхтах, и там парус не считают радиопрозрачным. Справляются...


    1. Gar02b
      23.11.2022 12:03
      +2

      Сдаётся мне, чтобы его не нашли по шестиметровому парусу и не спёрли на запчасти. А если искать его визуально, в бинокль, то пираты скоро устанут.


      1. Bedal
        23.11.2022 13:58

        или так...


  1. JPEGEC
    23.11.2022 02:06

    Морской беспилотник слишком легко захватить. Не будет никакого взрывного роста как минимум по этой причине.


    1. selivanov_pavel
      23.11.2022 05:24
      +2

      Так вы его там попробуйте сначала найти. Стоимость пиратской экспедиции получится дороже беспилотника.


      1. JPEGEC
        25.11.2022 16:55

        Мне казалось взрывной рост это про экспоненту.

        Там искать не придется, там придется уворачиваться.

        Но этого на мой взгляд не будет, в отличие от воздушных. По озвученной в том числе причине.


  1. arheops
    23.11.2022 02:15
    +12

    Морские законы все так же утверждают, что если вы нашли груз или корабль без экипажа вне территориальных вод — они ваши.
    Уже 20 лет обсуждают изменения, но пока не видно конца.
    Тоесть если вы встретили беспилотник в море, вы имеете право на него перейти и назвать своим.

    Также конструктивно катамаран — не очень решение, поскольку при управлении роботами он перекидывается волной всего в полтора раза больше его базы, а такие волны — обычный океанский шторм. Управление катамаранов в шторм немножко сложнее яхты. В отличии от однокорпусного, катамаран не возвращается сам в надводную позицию. Именно протому зарубежом мало проектов океанских беспилотников-катамаранов.


    1. sshemol
      23.11.2022 11:52

      А если он с достаточно широкой базой, разве он будет вообще переворачиваться?


      1. arheops
        23.11.2022 13:31
        +2

        Конечно. В океане волны бывают такие, что и с базой в 30 метров перевернется.
        Большая база еще хуже, ибо гребень волны попадает между корпусами, тоесть надо соответсвенная высота к этой базе.

        Длина вот этого катамарана 18м.
        interparus.com/wp-content/cache/thumb/35/52c40ba04a3cb35_827x500.jpg
        И там вообще еще не шторм, так, метров 10-13 в секунду.


      1. vassabi
        23.11.2022 13:36
        +3

        если вы не хотите плавать только в спокойную погоду, и делать его длиной больше 100 метров, то примите как аксиому - "всё переворачивается".

        Проектировать судно, которое вертикализируется само - будет гораздо проще, чем проектировать такое, которое "никогда не перевернется".

        PS: обычный надувной матрас - вон с какой "широкой базой", а попробуйте его спроектировать таким, чтобы его не перевернуло на волне в шторм :)


    1. freemanon
      23.11.2022 11:58
      +1

      Может передавать на беспилотник координаты ближайших кораблей, чтобы он уплывал подальше и его никто не смог найти?


    1. SvetBolgova
      23.11.2022 12:12

      конструктивно катамаран — не очень решение, поскольку при управлении роботами он перекидывается волной всего в полтора раза больше его базы

      Это верно. Поэтому катамараны и тримараны — побочная линия разработки, их создавали специально для прибрежной работы: чтобы можно было загрузить оборудованием от души и ни в чем себе не отказывать.


  1. ner0
    23.11.2022 12:22

    Восхищают такие проекты, как и спутниковый интернет Старлинк, тут будет на воде.
    На морские беспилотники можно установить оборудование для передачи сигнала SOS, если кто-то вплавь или на лодке случайно окажется в открытом океане - может спастись.


    1. Cast_iron
      23.11.2022 13:19
      +1

      Дальность обзора будет не больше нескольких сотен метров у пловца, с лодки чуть больше, нотнетна много. Я б не надеялся на случайное спасение.
      Электромотор там не рассчитан на долгое плавание, припасов на экстренный случай не будет. Не вижу смысла обеспечивать оборудование SOS.
      Космос замусорили спутниками, теперь и океану достанется вдобавок к существующим тоннам мусора.


      1. vassabi
        24.11.2022 01:38

        этот можно снабдить QR кодом с переходом по ссылке - чтобы потом вернуть его владельцу обратно за некоторое вознаграждение