Робототехнические комплексы для обеспечения специальных операций.БАТАНОВ Александр Фёдорович РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ В последние годы происходит роботизация буквально всех сфер человеческой деятельности. Диапазон применения робототехники чрезвычайно широк: - роботы вытесняют человека на производстве. Полная автоматизация многих процессов сводит участие людей в производстве к принятию важных решений и устранению возникающих неисправностей оборудования; - роботы используются при исследованиях космического пространства и океанских глубин; - с помощью роботов проводятся сложнейшие хирургические операции на мозге и сердце. Разработаны роботизированные протезы конечностей и некоторых внутренних органов; - военная техника становится все умней и самостоятельней – управление движением, контроль обстановки, прицеливание и поражение цели производит машина, а человеку остаются решение тактических задач и техническое обслуживание. Процесс роботизации затронул и такую специфическую область как обеспечение общественной безопасности: вот уже более 20 лет в арсенале спецслужб и полицейских подразделений находятся мобильные роботы и робототехнические комплексы. Немного теории До сих пор нет четкого представления о том, какую машину можно считать роботом, а какую ? нет. В энциклопедическом словаре роботом называется автоматическая система (машина), оснащенная датчиками, воспринимающими информацию об окружающей среде, и исполнительными механизмами, способная с помощью блока управления целенаправленно вести себя в изменяющейся обстановке. Характерной особенностью робота считается способность частично или полностью выполнять двигательные и интеллектуальные функции человека. От обычной автоматической системы (например, станка-автомата) робот отличается многоцелевым назначением, большей универсальностью, возможностью перестройки на выполнение разнообразных функций. На практике же понятие робот” распространяют и на любые дистанционно управляемые транспортные средства, снабженные системой очувствления (как минимум, системой технического зрения). Робот призван заменить человека в случаях, когда выполнение задачи находится за пределами человеческих возможностей либо сопряжено с чрезмерной угрозой здоровью и жизни человека, а также при недостатке профессионально подготовленного персонала для выполнения трудоемких и циклически повторяющихся задач. Роботы можно классифицировать по:
Условия функционирования роботов, определяемые типом среды эксплуатации и характером рабочего процесса, можно разделить на две категории: детерминированные (определенные) и недетерминированные (неопределенные). К детерминированным средам относятся среды, спроектированные и созданные человеком. Соответственно, детерминированным процессом является каждый процесс, протекание которого полностью зависит от целенаправленной деятельности человека (деятельности по непосредственному осуществлению процесса, управлению процессом и т.п.). В детерминированных средах уже имеется высокая степень организации, либо требуемая степень организации может быть достигнута при сравнительно небольших затратах. Определенность среды обусловлена априорным знанием точного положения всех объектов, с которыми может взаимодействовать робот. Для манипуляционного робота это означает точное знание местоположения и ориентации объектов, расположенных в его рабочей зоне. Для транспортного робота детерминированной средой является, например, рельсовая трасса в цехе. К первой категории относятся также среды, которые можно организовать требуемым образом, хотя и ценой значительных затрат (не полностью организованные среды). В этом случае отдельные объекты могут иметь заранее неизвестные отклонения от эталона. К этим средам можно отнести полевые склады боеприпасов, горючесмазочных материалов, технологические позиции и т.д. В средах второй категории практически невозможно осуществить их организацию. Такие среды называются полностью неорганизованными (недетерминированными). К ним относятся, в частности, природные среды и среды, создаваемые аварийными ситуациями как в природных условиях, так и при разрушении сред, спроектированных и созданных человеком, т.е. при разрушениях зданий и сооружений. К действиям робота в природных средах относятся действия в полевых условиях: разведка на местности, военные действия, разминирование и патрулирование, подводные и подземные работы и т.п. (в том числе в случаях радиоактивного, химического и бактериологического заражения местности). К действиям робота при разрушениях созданных человеком сред относятся ведение боевых действий в городских условиях, а также действия по расчистке завалов, спасательных работах в разрушенных сооружениях и т.п. К недетерминированным процессам относится каждый процесс, протекание и результат которого полностью не зависит от целенаправленной деятельности человека. Недетерминированными процессами являются ведение боевых действий, все природные процессы (землетрясения, извержения вулканов и т.п.), пожары, взрывы (как результаты техногенных аварий) и т.п. Для работ в недетерминированных условиях в настоящее время развивается особый класс робототехнических систем, называемых в технической литературе "мобильными роботами", отличительной чертой которых является наличие локомоционной способности (т.е. способности к переместительным движениям системы в пространстве). Любой мобильный робот может быть представлен в виде совокупности трех больших систем - транспортной, специальной и управления (схема 1). Схема 1. Обобщенная структура мобильного робототехнического комплекса. Транспортная система представляет собой транспортное средство, предназначенное для доставки специального и технологического оборудования к месту выполнения поставленной задачи. Транспортное средство состоит из ходовой части, корпуса и энергетической установки. Как правило, система управления устанавливается внутри корпуса. В зависимости от типа среды эксплуатации ходовая часть может быть гусеничная, колесная, колесно-гусеничная, полугусеничная, шагающая, колесно-шагающая, роторная, с петлевым, винтовым, водометным и реактивным движителями. Облик наземного мобильного робота в первую очередь определяется типом и конструкцией движителя, служащего для преобразования в процессе взаимодействия с внешней средой усилия, получаемого от двигателя, в тяговое усилие, движущее транспортное средство. Выбор типа движителя и его размеров является очень сложной задачей. Практически невозможно создать универсальную конструкцию движителя, дающего возможность одинаково уверенно передвигаться в разнообразных условиях окружающей среды: множество видов и свойств оснований, сложные пересечения рельефа местности, необходимость перемещения по элементам сооружений и внутри зданий являются причиной создания большого числа компоновочных схем роботов с различными типами движителей. Основное внимание разработчиков уделяется различным вариантам колесного и гусеничного движителей.Несколько меньшее внимание уделено шагающему движителю. И существенно меньшее - другим типам (например, роторно-винтовому, аппаратам на воздушной подушке и др., предназначенным для движения по поверхности со специфическими физико-механическими свойствами (заболоченным местам, мелководью, глубокому снегу). Для каждого типа движителя существует своя область применения. Так, в качестве движителя многофункционального мобильного робота, предназначенного для использования на труднопроходимой местности, выбирают гусеничный движитель как наиболее универсальный. При преимущественном использовании робота на дорогах более предпочтительным является колесный вариант транспортного средства. Применение шагающих машин перспективно лишь в среде, где скорость колесного или гусеничного движителя уступает скорости шагающего движителя (например, в горной местности, в очагах разрушений и т.п.). При конструировании обычных транспортных средств параметры движителя оптимизируются для наиболее характерных условий применения и поверхностей движения. Однако, для мобильного робота такая оптимизация невозможна в силу неопределенности условий движения. Поэтому в настоящее время движители роботов конструируются с возможностью адаптации к поверхности движения. В первую очередь это относится к малогабаритным роботам, предназначенным для работ внутри зданий и сооружений, в очагах разрушений, боевым и разведывательным роботам (фото 1). Адаптивные движители таких роботов обладают возможностью изменения своих параметров и структуры самостоятельно или по команде системы управления на основе текущей информации об условиях движения с целью достижения определенного, обычно оптимального, состояния при начальной неопределенности и изменяющихся условиях движения. Специальные системы служат для непосредственного выполнения поставленных задач. Специальная система состоит из необходимого набора технологического оборудования, состав которого определяется видом решаемой задачи и назначением МР. Например, при решении разведывательных задач технологическим оборудованием является комплект датчиков и средства первичной обработки информации. Выполнение технологических задач может обеспечиваться манипулятором и набором сменного инструмента к нему. При проведении взрывотехнических работ необходимым оборудованием являются средства диагностики взрывных устройств и гидроразрушители (фото 2). Система управления обеспечивает управление движением и работой технологического оборудования, а также адаптивное управление ходовой частью и энергетической установкой с учетом взаимодействия транспортной системы с окружающей средой. Система управления включает в себя информационно-управляющую часть (аппаратура управления роботом, датчики, система технического зрения и микропроцессоры предварительной обработки информации), расположенную на мобильном роботе; пост оператора мобильного робота (пульт управления, видеопросмотровые устройства; ЭВМ для обработки информации) и комплект приемо-передающей аппаратуры, обеспечивающей передачу информации от робота на пост оператора и управляющих команд от поста оператора на мобильный робот (фото 3). Система управления движением должна также обеспечивать планирование движения в недетерминированных условиях на основе картографической базы с учетом непрерывно поступающей информации в систему управления от технических органов чувств и навигационной системы. Сложность системы управления определяется сложностью решаемой задачи, степенью неопределенности внешней среды и требуемой степенью автономности робота. Именно развитие систем управления определяет развитие робототехнических комплексов в целом, и, в частности, легло в основу классификации мобильных роботов по поколениям.В общем случае система управления содержат три уровня управления: верхний (стратегический), средний (тактический) и нижний (исполнительный), которые имеют встроенные механизмы адаптации, работающие на основе оценки качества реализации планов различного уровня в реальном физическом мире. Организация взаимодействия уровней управления должна позволять принимать решение на том уровне, который в данный момент обладает наиболее достоверной информацией, без передачи управления на более высокий уровень. Человек (оператор) является в настоящее время неотъемлимой частью системы управления. Функции человека в системе управления определяют ее сложность. В роботах первого поколения оператор активно участвует в управлении мобильным роботом на всех трех уровнях, вплоть до непрерывного ручного управления исполнительными механизмами. Это упрощает конструкцию системы управления, но усложняет работу оператора. В режиме дистанционного управления распознавание дорожных сцен, планирование маршрута и формирование команд управления осуществляется оператором, находящимся на стационарном или подвижном пульте управления. Основные недостатки дистанционного управления обусловлены наличием телевизионного и радио каналов связи, их невысокой помехозащищенностью, невозможностью сохранять режим радиомолчания, опасностью неожиданного прекращения связи в зонах радиотени. В роботах второго поколения управление нижнего уровня возложено на бортовую систему управления роботом. Общим для роботов второго поколения является использование обратной связи как в соответствии с текущим состоянием робота, так и в соответствии с состоянием внешней среды. Третье поколение роботов оставляет человеку только стратегический уровень: система общения с оператором сводится к выдаче задания и принятию отчета о его выполнении. Платить за облегчение жизни оператора приходится весьма дорого: автоматическая система должна обладать универсальностью, гибкостью и широтой возможностей естественного интеллекта. При этом любая решаемая системой искусственного интеллекта дополнительная задача, а тем более класс задач или ситуаций, требует не только разработки специальных алгоритмов решения, но и специализированных технических средств - новых технических органов чувств, спецвычислителей и исполнительных органов, т.е. каждая такая задача представляет собой сложную научно-технологическую проблему. В настоящее время наиболее целесообразной представляется разработка комбинированных систем с возможностями автоматического и дистанционного супервизорного управления. Например, "захват" дороги и выход на нее осуществляет человек, а движение по дороге - автоводитель, поиск ориентиров на местности и их идентификацию - человек, вычисление местоположения робота бортовая система управления. Исключение человека из процесса непосредственного управления резко сокращает объем передаваемой через эфир информации, а возможность его вмешательства в сложных ситуациях расширяет круг решаемых задач. Кроме того, автоматическая система обеспечивает продолжение выполнения задания или эвакуацию робота из опасной зоны при нарушении связи из-за применения средств радиоподавления или отказа радиооборудования. Применение мобильного робота более эффективно при использовании последнего в составе робототехнического комплекса, образованного группой мобильных роботов, средствами доставки, энергообеспечения и технического обслуживания, центральным постом управления и обработки данных. Мобильные роботы универсальны и поэтому могут быть использованы в разных областях. Применительно к использованию робототехники в военных целях и в чрезвычайных ситуациях приоритетное значение имеют технические "способности" роботов, пригодность к эксплуатации в жестких и экстремальных условиях и способность обеспечить защиту обслуживающего персонала. При использовании роботов в гражданской промышленности наибольшее значение придается их экономической эффективности. Основные тактические задачи, решаемые с помощью мобильных роботов В той или иной степени применение мобильных роботов в интересах спецслужб и полицейских подразделений возможно при проведении операции любого типа. Однако наиболее целесообразно использование роботов при проведении взрывотехнических работ и антитеррористических операций, а также при охране важных объектов. При этом применение роботов возможно для решения следующих тактических задач: при проведении взрывотехнических работ
Указанные операции проводятся на разных объектах и в разнообразных условиях:
Специфика операций, условия эксплуатации и функциональное назначение мобильного робота определяют его конструктивные особенности, степень сложности системы управления, массогабаритные характеристики и состав специального оборудования. К мобильному роботу предъявляются следующие общие требования:
Для выполнения вышеуказанных задач спецподразделения имеют следующие основные группы мобильных роботов: Мобильный Робототехнический Комплекс (МРК) — универсальные наземные роботы, предназначенные для действий на объектах транспорта, промышленности, городской инфраструктуры и т.д., на открытой слабопересеченной местности; Специальные Робототехнические Комплексы ? роботы, способные перемещаться по вертикальным и наклонным поверхностям промышленных объектов и транспортных средств, а также в трубопроводах и узких местах; Малогабаритный Дистанционно Пилотируемый Летательный Аппарат (МДПЛА) воздушный робот для проведения разведки на открытой местности, сильно пересеченной местности, в горах, в городе. Мобильные робототехнические комплексы Мобильные робототехнические комплексы применяются при:
По массе (и, следовательно, мобильности) и основному назначению МРК можно разделить на 4 группы:
Фото 4. Сверхлегкий
мобильный робот МРК-01 (МГТУ им. Н.Э. Баумана).
Технические характеристики робота МРК-01 Общие характеристики этих групп приведены в таблице 1. Таблица 1.
В мировой практике наибольшее развитие получили робототехнические комплексы первых трех групп. Это обусловлено их маневренностью, возможной быстрой технической адаптацией к конкретному виду проводимой операции или выполняемых работ, а также относительно небольшими материальными и экономическими затратами на их производство и эксплуатацию. Основное назначение этих роботов - охрана помещений важных объектов, борьба с террористическими акциями, поиск и обезвреживание взрывоопасных предметов. Изначально заложенный в конструкцию большинства роботов модульный принцип позволяет создавать многофункциональные комплексы, используя единую транспортную систему в качестве базовой и формируя рабочую систему при установке сменного вооружения или рабочего оборудования и требуемой системы управления. Для роботов массой до 800 кг разрабатываются оригинальные специализированные транспортные модули (фото 5). Более тяжелые робототехнические системы используют в качестве базовых шасси серийно выпускаемые образцы военной и гражданской транспортной техники (фото 6).
Фото 5. Мобильный робототехничекский комплекс МРК-25 (МГТУ им. Н.Э. Баумана) имеет конвертируемую ходовую часть. Складывание гусеничного обвода дает возможность роботу маневрировать в стесненных условиях (например, разворачиваться на лестничных площадках) и обеспечивает перевозку робота в джипе или микроавтобусе. Технические характеристики робота МРК-25 Фото 6. Транспортное средство роботизированной системы разминирования ETODS (OAO, США) выполнено на базе погрузчика типа “Bobcat”. Конструктивно универсальные мобильные роботы представляют собой малогабаритные самоходные средства, оснащаемые разведывательной аппаратурой, набором сменного рабочего оборудования и инструмента. Рассчитаны на дистанционное управление оператором, ведущим наблюдение непосредственно или с помощью телевизионной камеры. В состав установленных на роботах комплексов приборов и оборудования входят:
Сами машины выполняются на шасси из алюминиевых сплавов и легированной стали с колесной, гусеничной или сменной (быстро заменяемой с колесной на гусеничную и обратно) ходовой частью (фото 7). На шасси смонтирован полноповоротный (как правило) манипулятор, приспособленный для установки сменного рабочего оборудования, аппаратуры или инструмента. В качестве энергетической установки чаще всего служат электрические аккумуляторы, их емкости обычно достаточно для работы в течение нескольких часов, однако возможно применение двигателя внутреннего сгорания или питание от внешнего источника электроэнергии. При использовании аккумуляторов привод ходовой части машины и рабочего оборудования обычно электромеханический, а двигателя внутреннего сгорания – гидравлический. Дистанционное управление работой машин осуществляется по радио (на дальности до 4000 м), по волоконно-оптической линии связи (на расстоянии до 400 м), либо по кабелю. (на расстоянии до 100 м). Фото 7. Мобильный робот Castor (GIAT Industries, Франция) может иметь либо колесную, либо гусеничную ходовую часть. Малые масса и габариты дистанционно управляемых машин допускают их перевозку к месту выполнения работ легкими транспортными средствами, а их выгрузка и погрузка производятся по легким аппарелям своим ходом. Низкое расположение центра тяжести и наличие легких гусениц позволяют машине преодолевать крутые подъемы и спуски, в том числе лестничные марши, проникать в небольшие помещения и работать на весьма ограниченной площади. Малогабаритные дистанционно пилотируемые летательные аппараты В начале 1980-х появился новый класс беспилотных разведчиков – миниатюрные и относительно дешевые дистанционно пилотируемые летательные аппараты (миниДПЛА). Пионерами в этой области стали израильтяне, первыми создавшие и с большим успехом применившие миниДПЛА в ходе боев с Сирией в долине р. Бекаа (Южный Ливан) в 1982 г. Вслед за Израилем к работам в этом направлении приступили СССР, США, Великобритания, Франция, Италия, Канада, Китай, Ирак и другие страны, как обладающие развитой авиапромышленностью, так и имеющие лишь авиаремонтную базу. ДПЛА способны:
В настоящее время отсутствует единая и четкая классификация ДПЛА. В частности, принято подразделять беспилотные аппараты по различным признакам:
В качестве силовой установки на ДПЛА применяются авиационные поршневые или турбореактивные двигатели, а для обеспечения их старта (взлета) с земли – пороховые сбрасываемые ускорители. Возвращающиеся с задания беспилотные аппараты спускаются на парашюте или подхватываются в конце глиссады снижения специальной сетью, иногда они производят посадку с помощью шасси. Состав бортовой аппаратуры определяется главным образом возлагаемыми на ДПЛА задачами: на разведывательных используются аэрофотоаппараты (АФА), телевизионные камеры, инфракрасные (ИК) станции, аппаратура радиотехнической разведки. Аппараты могут нести на борту станции постановки активных помех, устройства выбрасывания противорадиолокационных отражателей и т. д. В последние годы во многих зарубежных странах и в России повысился интерес к малогабаритным ДПЛА, обладающим вертикальным взлетом и посадкой. выполненным по вертолетной схеме (фото 8). Подобные МДПЛА характеризуются существенно малой массой (до 50 кг) и габаритами, что позволяет осуществлять их перевозку неспециализированным транспортом и быстрое развертывание на месте применения. Фото 8. Дистанционно управляемый вертолет. Круг задач, решаемых МДПЛА вертолетного типа, весьма обширен: -визуальный и технический контроль
обширных труднодоступных территорий; С середины 90-х гг. в США ведутся разработки миниатюрных летательных аппаратов микроДПЛА (фото 9).
Фото 9. МикроДПЛА (AeroVironment Inc., США) с размахом крыла 15 см. имеет радиус действия 1 км и может находиться в полете в течение 10 мин. В качестве полезной нагрузки несет две телекамеры. МикроДПЛА представляют собой дистанционно пилотируемых устройства с габаритами не более 15 см, дальностью полета около 10 км, скоростью 10-20 м/с и временем полета до 1 ч. В качестве полезной нагрузки используются миниатюрные цифровые камеры, датчики, специальные технические средства. Основные операции МикроДПЛА: -разведка в радиусе до 1 км при
проведении операций на открытой местности; В настоящее время за рубежом предпринимаются усилия по координации работ, связанных с созданием беспилотных летательных аппаратов, поскольку, как считают иностранные специалисты, самостоятельная их разработка различными странами и фирмами наряду с неоправданным расходованием значительных материальных сил и средств зачастую приводит к появлению практически аналогичных по конструкции и возможностям ДПЛА. Специальные робототехнические комплексы Представление о возможностях специальных робототехнических комплексов дает опыт применения промышленных роботов, перемещающихся по произвольным поверхностям. Мировой приоритет в этой области принадлежит японским фирмам. Ими в настоящее время разработан и серийно изготавливается ряд робототехнических устройств с дистанционным управлением, предназначенных для:
Эффективность использования специальных робототехнических комплексов в промышленности заключается в:
|
