Model systemu sterowania małego obiektu bezzałogowego poruszającego się na powierzchni wody

Transkrypt

1 GERIGK Mirosław Kazimierz 1 WÓJTOWICZ Stefan 2 Model systemu sterowania małego obiektu bezzałogowego poruszającego się na powierzchni wody WSTĘP Podczas kilku ostatnich lat prowadzono na Politechnice Gdańskiej badania nad koncepcją zastosowania innowacyjnych małych wielozadaniowych okrętów, które mogłyby jednocześnie pełnić rolę platform dla bezzałogowych autonomicznych pojazdów. W czasie badań zwrócono uwagę na fakt, że możliwości logistyczne i bojowe proponowanych platform mogą być znacznie zwiększone, jeśli z ich pokładu można przeprowadzić dyslokację bezzałogowych systemów morskich BSM i lotniczych BSL. Połączenie możliwości innowacyjnych platform pływających i bezzałogowych systemów morskich i lotniczych (BSM, BSL) umożliwia stworzenie bardzo innowacyjnego i efektywnego złożonego logistycznie systemu morskiego. W czasie badań przeprowadzono symulację zastosowania proponowanego rozwiązania w marynarce wojennej. Badania dotyczące bezzałogowych systemów morskich BSM dotyczą obiektów wielo-funkcyjnych mogących poruszać się na swobodnej powierzchni wody, pod jej powierzchnią oraz chwilowo nad swobodną powierzchnią wody. W czasie badań dużo miejsca poświęcono na opracowanie koncepcji podsystemów wchodzących w skład rozpatrywanego bezzałogowego systemu morskiego BSM. Szczególnie dużego uwagi poświęcono systemowi sterowania tego obiektu. 1 WYZWANIA ZWIĄZANE Z INNOWACYJNYMI OBIEKTAMI PŁYWAJĄCYMI Konieczność projektowania i budowy innowacyjnych jednostek i obiektów pływających dla obronności Państwa wymaga idei, jasno sprecyzowanego przeznaczenia takich jednostek i obiektów. Z tego powodu niezbędna jest ścisła współpraca instytucji odpowiedzialnych za bezpieczeństwo Państwa, przemysłu i nauki. Istotna jest też opinia użytkownika. Powodzenie w realizacji proponowanego rozwiązania, innowacyjnej jednostki lub obiektu pływającego, zależy kolejno od następujących elementów: idei (przeznaczenia), innowacyjnego rozwiązania (na przykład technologicznego), zespołu ludzi zaangażowanych w realizację idei, od odpowiednich decyzji często obarczonych ryzykiem (różnej natury), od sposobu finansowania programu czy projektu i w końcu od realizacji badań i wdrożenia. Realizacja wymaga przeprowadzenia pracochłonnych i kosztownych badań przemysłowych, projektowania, wdrożenia (budowy demonstratora technologii czy prototypu) i wprowadzenia jednostki do eksploatacji. Wdrożenie wymaga potencjału wykonawczego. Potencjał wykonawczy w Polsce istnieje. Są jednostki naukowe, jednostki B+R i przemysł, które są zainteresowane badaniami, wdrożeniem i produkcją proponowanych rozwiązań. Po wdrożeniu powinna nastąpić eksploatacja. Równolegle należy się przygotować do produkcji eksportowej, jeśli takie decyzje zapadną. Proponowane w artykule rozwiązania są innowacyjne lecz ich ostateczna ocena należy do osób i instytucji oceniających. Siłą proponowanych rozwiązań może być wprowadzenie do użytku niespotykanych lub bardzo innowacyjnych rozwiązań, w tym całych jednostek i/lub obiektów pływających. Proponowane rozwiązania stanowią niszę, która istnieje na rynku, jeśli chodzi o 1 Politechnika Gdańska, Wydział Oceanotechniki i Okrętownictwa, Katedra Hydromechaniki i Hydroakustyki, Gdańsk, ul. G.Narutowicza 11/12,. Tel , Fax: , mger@pg.gda.pl 2 Instytut Elektrotechniki, Warszawa, ul. Pożaryskiego 28, Tel , Fax: , swojtowicz@iel.waw.pl 3854

2 zastosowania. Przed przystąpieniem do opracowania tych rozwiązań poddano analizie istniejące i proponowane rozwiązania na świecie. W czasie powstawania poszczególnych rozwiązań zwrócono szczególną uwagę na problemy związane z trudno-wykrywalnością jednostek i obiektów, ich osiągami i zachowaniem się oraz bezpieczeństwem. Szczegółowej analizy badawczej i projektowej wymagają takie zagadnienia jak: pływalność, stateczność, właściwości oporowo-napędowe, właściwości manewrowe i morskie, dobór materiałów, konstrukcja i jej wytrzymałość, technologiczność konstrukcji i technologia jej wykonania, oraz podsystemy jak: podsystem napędowy, zasilania elektrycznego, sterowania, łączności, nawigacji, rozpoznania i uzbrojenia. Innowacyjność rozwiązania daje prestiż, którego miarą są badania i wdrożenie. Wdrożenie przynosi produkt, który będzie eksploatowany. Pojawienie się innowacyjnego produktu może umożliwić eksport polskiej myśli technicznej, polskiego know-how. 2 INNOWACYJNE BEZZAŁOGOWE AUTONOMICZNE OBIEKTY WODNE W okresie kilku ostatnich lat na Politechnice Gdańskiej prowadzono także prace badawcze nad opracowaniem innowacyjnych z założenia bezzałogowych autonomicznych obiektów pływających. Prace te dotyczyły między innymi projektu obiektu do zadań specjalnych mogącego poruszać się nad i pod swobodną powierzchnią wody. Projekt ten wydaje się najbardziej zaawansowany spośród kilku rozwiązań dotyczących "dronów" wodnych. Ogólnie, bezzałogowe systemy morskie BSM można podzielić na systemy podwodne (BSM-P) i nawodne (BSM-N). Proponuje się zastosowanie zaawansowanych rozwiązań w zakresie systemów BSM. Zaawansowane bezzałogowe systemy morskie ZBSM powinny umożliwiać wykonywanie zadań na powierzchni wody, pod powierzchnią oraz w krótkim okresie czasu nad jej powierzchnią. Poniżej przedstawiono podstawowe rozwiązania dotyczące wybranych systemów ZBSM. Podano podstawowe dane na temat proponowanych rozwiązań. Do rodziny bezzałogowych obiektów wodnych opracowanych w ostatnim okresie na Politechnice Gdańskiej pod kierunkiem współautora artykułu można zaliczyć: 1) Projekt małego bezzałogowego obiektu wodnego przy-powierzchniowego "Hydro-Sub" o wymiarach: 4,7 m (długość całkowita), 2,1 m (szerokość operacyjna), 1,6 m (szerokość podczas transportu). Na Rys. 1 przedstawiono ogólny widok obiektu "Hydro-Sub" wraz z wizualizacją jego wybranych elementów. Rys. 1. Ogólny widok małego bezzałogowego obiektu wodnego przy-powierzchniowego "Hydro-Sub" wraz z wizualizacją jego wybranych elementów (Źródło: Mirosław K. Gerigk, Politechnika Gdańska, 2014). 2) Projekt małego bezzałogowego obiektu podwodno-nadennego do zadań specjalnych "Sub-Stone" o wymiarach: 6,2 m (długość), 2,4 m (szerokość maksymalna), 1,4 m (wysokość). Na Rys. 2 przedstawiono ogólny widok obiektu "Sub-Stone". 3855

3 Rys. 2. Ogólny widok małego bezzałogowego obiektu podwodno-nadennego do zadań specjalnych "Sub- Stone" (Źródło: Mirosław K. Gerigk, Politechnika Gdańska, 2014). 3) Projekt małego szybkiego bezzałogowego obiektu wodnego do zadań specjalnych "Fist-RP" o wymiarach: 5,2 m (długość całkowita), 4,9 m (szerokość operacyjna), 2,4 m (szerokość podczas transportu), 1,1 m (wysokość). Na Rys. 3 przedstawiono ogólny widok obiektu "Fist-RP", w jego początkowej wersji i wersji najbardziej zaawansowanej. Rys. 3. Ogólny widok małego szybkiego bezzałogowego obiektu wodnego do zadań specjalnych "Fist-RP" w jego początkowej wersji w porównaniu z wersją najbardziej zaawansowaną (Źródło: Mirosław K. Gerigk, Politechnika Gdańska, 2014). Projekt szybkiego bezzałogowego obiektu wodnego do zadań specjalnych "Fist-RP", który może się poruszać nad swobodną powierzchnią wody (mała wysokość lotu), na powierzchni wody i pod wodą, jest najbardziej zaawansowanym projektem. W opinii ekspertów należy go uznać za innowacyjny w skali światowej. O innowacyjności obiektu decydują następujące elementy: 1) innowacyjny kształt kadłuba (zmodyfikowana "delta"), 2) duża prędkość przemieszczania się nad swobodną powierzchnią wody przy niskim pułapie, 3) duża mobilność na wodzie i pod swobodną powierzchnią wody, 4) trudno-wykrywalność z uwagi na prędkość ruchu, kształt kadłuba i pokrycie jego powierzchni, pracę urządzeń i podsystemów pokładowych, 5) system napędowy (powietrzny, wodny). Z uwagi na stosunkowo małe gabaryty, szybkość działania, możliwość przebywania pod swobodną powierzchnią wody i potencjalne uzbrojenie obiekt może być bardzo trudny do wykrycia i zniszczenia, co czyni go bardzo skutecznym w działaniu. Proponowana konstrukcja może posiadać 3856

4 bardzo dużą odporność na trafienia ją pociskami konwencjonalnymi i przy użyciu broni rakietowej. Powyższe cechy czynią proponowaną konstrukcję bardzo cenną, jeśli chodzi o jej zastosowanie w marynarce wojennej i siłach specjalnych, zarówno w celach patrolowych, odstraszania jak i czysto ofensywnych, w tym przy zwalczaniu obiektów nadwodnych, nawodnych i podwodnych. Proponuje się rozważanie opracowania następujących wersji bojowych tego obiektu: 1) wersja 1 - do celów patrolowych, 2) wersja 2 - do celów patrolowych, 3) wersja 3 - do działań odstraszających, 4) wersja 4 - do zwalczania obiektów nadwodnych i nawodnych, 5) wersja 5 - do zwalczania obiektów i okrętów podwodnych. Do zasadniczych systemów i podsystemów bezzałogowego szybkiego obiektu wodnego do zadań specjalnych można zaliczyć: kadłub i podział przestrzenny, w tym luki wodoszczelne, system napędu powietrznego, system napędu wodnego, system dynamicznego balastowania obiektu, system sterowania napędami obiektu, system elektryczny zasilania, system ciśnieniowy powietrza, system hydrauliczny wspomagania, system nawigacyjny (nawigacja nad- i podwodna) oraz łączności satelitarnej i radiowej, system obserwacji oraz walki elektronicznej, system uzbrojenia konwencjonalnego oraz kinetycznego i rakietowego, zintegrowany system sterowania obiektem (zarządzanie obiektem, zarządzanie bezpieczeństwem obiektu). 3 PROBLEMATYKA STEROWANIA BEZZAŁOGOWYM AUTONOMICZNYM OBIEKTEM WODNYM Ogólnie, infrastruktura zewnętrzna systemu sterowania bezzałogowym obiektem wodnym składa się z następujących elementów: 1. Sterowanie nadrzędne. 2. Moduł AI (Artifical Intelligence). 3. Moduł sensoryczny. 4. Moduł napędowy. 5. Moduł zasilania. Przedmiotem badań jest inteligentny autonomiczny wodny obiekt o napędzie elektrycznym. Do zasadniczych komponentów obiektów można zaliczyć: 1. Zespół napędowy - umożliwiający poruszanie się w przestrzeni, serowanie lokalne, silniki, przeniesienie napędu. 2. Zespół zasilania - zasobniki energii elektrycznej, baterie akumulatorów, zasobniki super kondensatorowe, ogniwa paliwowe, systemy ładowania. 3. Układ sterowania nadrzędnego - sterowanie zespołami, komunikacja wewnętrzna CAN, komunikacja zewnętrzna. 4. Zespół sensoryczny - czujniki wewnętrzne umożliwiające pomiar parametrów diagnostycznych obiektu, kamery, czujniki zbliżeniowe. 5. Moduł AI - umożliwia planowanie ruchu między zadanymi punktami, tworzenie i modyfikacja mapy otoczenia, rozumienie obrazów, przyjmowanie i realizacja zleceń. 6. Czarna skrzynka - rejestrator umożliwiający odtworzenie zachowania pojazdu z wymagana dokładnością. Celem nadrzędnym badań w zakresie systemu sterowania proponowanym bezzałogowym autonomicznym obiektem wodnym jest nad systemem jest stworzenie obiektu, który będzie zdolny do funkcjonowania w rodzinie autonomicznych inteligentnych obiektów wodnych zdolnych do działania w grupie i przeznaczonych do wykonywania złożonych zadań operacyjnych. Opracowano koncepcję struktury modułu napędowego dla proponowanego rozwiązania bezzałogowego autonomicznego obiektu wodnego. Może ona przyjąć postać jak przedstawiona na Rys

5 Rys. 4. Struktura modułu napędowego dla proponowanego rozwiązania bezzałogowego autonomicznego obiektu wodnego (Źródło: Stefan Wójtowicz, Instytut Elektrotechniki, 2014). Strukturę modułu sensorycznego bezzałogowego autonomicznego obiektu wodnego można przedstawić tak jak na Rys. 5. Rys. 5. Struktura modułu sensorycznego bezzałogowego autonomicznego obiektu wodnego (Źródło: Stefan Wójtowicz, Instytut Elektrotechniki, 2014). WNIOSKI W ostatniej dekadzie na świecie znacząco zwiększył się udział liczbowy (ilościowy) bezzałogowych środków walki Dotyczy to przede wszystkim bezzałogowych środków powietrznych zastosowanych w działaniach operacyjnych. Tendencje te nasilają się. Marynarki wojenne również prowadzą swoją działalność ukierunkowaną na zwiększenie udziału bezzałogowych systemów morskich BSM w działaniach nawodnych i podwodnych. Zgodnie z tendencją łączenia zdolności platform załogowych z bezzałogowymi projektowane i budowane są połączone systemy działań 3858

6 nawodnych i podwodnych. Siły przeznaczone do realizacji tych zadań składają się zazwyczaj z okrętu bazowego wielo-zadaniowego, który jest jednocześnie platformą do dyslokacji i kierowania działaniami całej gamy bezzałogowych środków morskich. Nowym, coraz bardziej dynamicznie rozwijającym się działem bezzałogowych systemów morskich BSM są zaawansowane systemy ZBSM. Prace nad takimi systemami podjęto także w Polsce a niektóre z nich przedstawiono w powyższym artykule. Autorzy uważają, że nowatorskim kierunkiem rozwoju koncepcji bojowego wykorzystania bezzałogowych systemów morskich BSM jest zastosowanie platform zdolnych do działań podwodnych, nawodnych a także nadwodnych. Przykładem takiego kierunku są projekty wielozadaniowych bezzałogowych systemów morskich BSM przedstawione na Rys. 1, 2 i 3. Streszczenie W artykule przedstawiono koncepcję zastosowania innowacyjnych małych wielozadaniowych okrętów (platform) wraz z bezzałogowymi autonomicznymi obiektami wodnymi (bezzałogowe systemy morskie BSM). Połączenie możliwości innowacyjnych platform i bezzałogowych systemów morskich BSM umożliwia stworzenie bardzo innowacyjnego i efektywnego złożonego logistycznie systemu morskiego. W czasie badań przeprowadzono symulację zastosowania proponowanego rozwiązania w marynarce wojennej. Badania dotyczące systemów BSM dotyczą obiektów wielo-funkcyjnych mogących poruszać się na swobodnej powierzchni wody, pod jej powierzchnią oraz chwilowo nad swobodną powierzchnią wody. W czasie badań dużo czasu poświęcono na opracowanie koncepcji podsystemów wchodzących w skład rozpatrywanego bezzałogowego systemu morskiego BSM. Szczególnie dużego uwagi poświęcono systemowi sterowania tego obiektu. A model of steering system of a small unmanned object moving on the water surface Abstract In the paper a concept of implementation of the innovative small multi-task navy ships (platforms) together with the unmanned autonomous water objects (unmanned maritime systems BSM) is presented. Joining the possibilities of the innovative platforms and unmanned maritime systems BSM enables to develop a very innovative and effective complex from the logistic point of view a maritime system. During the research a simulation of implementation of the proposed solutions for the navy applications have been done. The research associated with the BSM systems concern a multi-functional objects which are able to move on the water surface, below the water surface and above this surface for a short period of time. During the research a lot of work was connected with development of the concepts of subsystems to be installed onboard the data BSM system. Much more work was associated with development of the steering subsystem of the data object. BIBLIOGRAFIA 1. Cwojdziński L. Gdańskie wodne bezzałogowce. RAPORT, nr 8, Dudziak J. Teoria okrętu. Fundacja Promocji Przemysłu Okrętowego i Gospodarki Morskiej, Gdańsk Gerigk M., Kompleksowa metoda oceny bezpieczeństwa statku w stanie uszkodzonym z uwzględnieniem analizy ryzyka, Monografie 101, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk Grabowski M., Merrick J. R. W., Harrald J. R., Mazzuchi T. A., Rene van Dorp J., Risk modeling in distributed, large-scale systems, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics part A: Systems and Humans, Vol. 30, No. 6, November Krężelewski M. Hydromechanika ogólna i okrętowa, część I. Skrypt Politechniki Gdańskiej, Gdańsk Krężelewski M. Hydromechanika ogólna i okrętowa, część II. Skrypt Politechniki Gdańskiej, Gdańsk