CC BY
0УДК 629.584
Р.А. Гараев, А.Д. Змеев, А.О. Рогожников, В.С. Волков
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДВОДНОГО ДРОНА С УСТАНОВЛЕННОЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОБИРКОЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДНОЙ БИОСФЕРЫ
В статье рассматриваются перспективы использования подводного дрона модульной конструкции с установленной на нем технической пробиркой для исследования водной биосферы и сбора различных образцов. Авторы подчеркивают значимость использования современных технологий для мониторинга состояния водных экосистем и выявления потенциальных угроз для их сохранения. Проводится анализ применения такой технологии для изучения различных аспектов водной среды, включая состав и структуру водных экосистем, а также мониторинг качества воды. Описываются преимущества использования подводных дронов в сравнении с традиционными методами исследования водной биосферы. В заключение авторы делают вывод о важности интеграции современных технологий в исследования водной среды для улучшения наших знаний о водной биосфере и поддержания ее экологического равновесия.
Ключевые слова: водная биосфера, подводный дрон, техническая пробирка, гидробионт, экосистема.
R.A. Garaev, A.D. Zmeev, A.O. Rogozhnikov, V.S. Volkov
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: [email protected]
PROSPECTS FOR USING AN UNDERWATER DRONE WITH AN INSTALLED TECHNICAL TEST TUBE TO STUDY THE AQUATIC BIOSPHERE
The prospects for using a modular underwater drone with a technical test tube installed on it to study the aquatic biosphere and collect various samples are presented. The authors emphasize the importance of using modern technologies to monitor the state of aquatic ecosystems and identify potential threats to their conservation. The analysis of the application of such technology to study various aspects of the aquatic environment, including the composition and structure of aquatic ecosystems, as well as monitoring water quality is made. The advantages of using underwater drones in comparison with traditional methods of studying the aquatic biosphere are described. The authors conclude that it is important to integrate modern technologies into aquatic research to improve our knowledge of the aquatic biosphere and maintain its ecological balance.
Key words: aquatic biosphere, underwater drone, technical test tube, hydrobiont, ecosystem.
Водная биосфера - это одна из основных частей экологии нашей планеты, от которой зависит как дальнейшее поддержание жизни на Земле, так и ее качество. Создание системы постоянного мониторинга и изучения водной биосферы является актуальной задачей для современных наук. Исследование водной биосферы заключается в сборе информации при отслеживании ее основных показателей, характеризующих текущее состояние водной среды и основные угрозы, с которыми ей приходится сталкиваться. Собранная информация после ее обработки и тщательного анализа позволяет принимать необходимые меры по сохранению биоразнообразия и улучшению качества воды, а также прогнозировать дальнейшую вероятность возникновения различных экологических ситуаций. Важно отметить, что изучение водной экосистемы позволяет выявлять взаимосвязь между живыми организмами и окружающей их средой, что является ключевым параметром для понимания принципов дальнейшего устойчивого развития [1].
Еще одним преимуществом ведения непрерывного мониторинга водной биосферы является возможность прогнозировать изменения климата, а также проводить анализ их влияния на сезонные погодные явления. Тщательный анализ состояния водной биосферы в ряде случаев помогает предотвращать катастрофические события, в результате которых может происходить вымирание популяций, а в некоторых случаях и целых видов живых организмов.
Современные технологии и методы исследования позволяют получать более точные и полные данные о состоянии водной экосистемы, а также значительно снижают затраты и позволяют систематизировать проведение замеров различных параметров. Одним из таких перспективных инструментов для исследования водной биосферы являются подводные дроны с установленными на них различными техническими приспособлениями [2].
Подводные дроны представляют из себя сложные устройства, зачастую оборудованные камерой и различными датчиками, которые позволяют собирать данные о водной среде, а также подробнее исследовать морское дно. Основным инструментом, позволяющим исследовать водное пространство, является бортовая камера с функцией инфракрасного видения, записывающая весь материал на жесткий диск. Далее полученные фото- и видеоматериалы сравниваются с прошлыми данными и изучаются специалистами из области гидроэкологии и океанографии. Для расширения технического функционала на подводные дроны устанавливаются дополнительные инструменты и оборудование. Одним из таких инструментов, является механический манипулятор, который позволяет выполнять сбор образцов морских растений и грунта морского дна [3]. Установка специальной технической пробирки на подводный дрон открывает ряд возможностей и преимуществ в области исследования водной биосферы, позволяя брать пробы с разной глубины и местоположения.
С помощью подводных дронов можно собирать пробы воды, образцы морской породы и биологических организмов для анализа в лаборатории. Это открывает новые возможности для мониторинга биологического разнообразия, состояния экосистем и воздействия человеческой деятельности на морскую среду. Предлагаемый способ, при котором пробы воды и гидробионта берутся подводным дроном с установленной технической пробиркой, имеет ряд преимуществ по сравнению с классическим методом, когда специализированная команда водолазов погружается на глубину для сбора образцов.
Кроме исследовательских задач, подводный дрон также может заниматься диагностированием уровня коррозионной защиты у судов, что позволяет значительно продлить срок эксплуатации судна. Одним из условий эффективного решения данной задачи является организация на судах контроля состояния коррозионнои защиты [4]. Для мониторинга контроля также можно использовать подводный дрон.
Основным преимуществом предлагаемого решения является безопасность персонала, поскольку при сборах проб воды и гидробионтов с использованием подводного дрона человек управляет всем процессом дистанционно и не погружается в воду. Кроме того, использование дрона позволяет значительно снизить затраты и повысить общую эффективность благодаря более простой процедуре взятия проб. После сбора полученные образцы используют в лаборатории, где они подвергаются различным анализам, экспериментам и физико-химическим и биологическим тестам. К примеру, для определения общего состояние водной биосферы проводятся измерения рН, содержания кислорода и иных параметров. Такие анализы позволяют провести общую оценку качества изучаемой водной экосистемы и выявить основные факторы, оказывающие как негативное, так и положительное влияние на нее.
Для реализации предлагаемого способа сбора подводных образцов и проб на кафедре «Энергетические установки и электрооборудование судов» в КамчатГТУ разрабатывается свой подводный дрон модульной конструкции. Особенность этого дрона заключается в модульной конструкции, которая представляет собой возможность присоединения различных сменных модулей.
На данный момент уже разработана механическая клешня, которая имеет два хвата из металла с острыми ребрами жесткости. В ее основе лежит водостойкий шаговый двигатель, имеющий питание в 24 В и обладающий скоростью вращения в 2 800 об/мин, что позволяет полностью открывать и закрывать клешню за 2,5 с. Ее максимальная сила сжатия составляет 14 кг, диаметр открытия 12 см, что вполне достаточно для того, чтобы поднимать и передвигать небольшие объекты массой до 7 кг, длиной до 20 см, шириной до 8 см. Сама масса клешни составляет 650 г. Класс защиты будет соответствовать 1Р68, что позволит погружать устройство на глубину до 50 м на 2 часа, а рабочий диапазон температуры составляет от -15 до 40°С [5].
Кроме уже разработанной механической клешни планируются следующие модули: инженерная лопатка, которая позволит брать образцы подводного грунта, и техническая пробирка, позволяющая осуществлять взятие образцов воды и проб гидробионта. Визуализация технической пробирки представлена на рис. 1.
Рис. 1. Визуализация технической пробирки
Модульность конструкции заключается в том, что все сменные модули будут иметь унифицированный разъем подключения и одинаковые элементы крепления к подводному дрону. Такое техническое решение позволяет экипировать подводный дрон тем инструментом, который необходим в конкретной ситуации и для конкретной цели. Проектируется техническая пробирка с вмещаемым объемом 300 мл, которая будет устанавливаться на разрабатываемый подводный дрон модульной конструкции. Все подвижные элементы буду работать от специализированных герметичных сервоприводов, изолированных при помощи разъемов, силиконовых вставок и резьбовых соединений. Корпус технического модуля планируется выполнять из АБС пластика на 3D-принтере. Модуль техническая пробирка предполагается использовать для сбора проб воды и гидробионта, что является уникальным устройством в Камчатском крае.
В рамках разработки подводного дрона модульной конструкции собран макет подводного дрона, фотографии которого представлены на рис. 2.
Рис. 2. Фотографии макета подводного дрона
Корпус макета изготовлен из нержавеющей стали толщиной 5 мм. С двух сторон имеются крышки, одна из которых, передняя, выполнена из оргстекла, задняя - из эпоксидной смолы. На задней крышке расположены разъемы для безопасного подключения электродвигателей и пульта управления к подводному дрону. Макет комплектуется четырьмя электродвигателями [6]. Крепления для электродвигателей напечатаны из АБС пластика. Макет подводного дрона комплектуется инфракрасной камерой. Внутри корпуса находятся элементы электроники и автоматики, а также аккумулятор, благодаря которому дрон способен работать на протяжении двух часов. Управление подводным дроном осуществляется специальным пультом управления, который выполнен в форме пластмассового кейса. В верхней части установлен дисплей, на который передается изображение с камеры на подводном дроне. В нижней части кейса находятся платы управления, аккумулятор, вольтметр и джойстик управления.
Одним из инновационных направлений в развитии подводных дронов является установка технической пробирки, которая открывает новые перспективы для исследований под водой. Основным преимуществом использования подводного дрона с установленной технической пробиркой является возможность сбора образцов и различных объектов, под водой с высокой мобильностью. Техническая пробирка позволяет захватывать различные материалы, образцы грунта, воды, биологические образцы, отложения и другие объекты для дальнейшего анализа и исследования. Это позволяет значительно расширить возможности для исследования водной экосистемы и всех составных ее частей.
Использование подводных дронов с установленной технической пробиркой может быть широко использовано в морской отрасли, причем сфера применения практически не ограничена. Данное техническое решение позволяет исследователям и специалистам получать более точные и надежные данные о состоянии водных ресурсов с определенной периодичностью, что позволяет построить уже целую модель водной биосферы, тем самым выявить оптимальное значение использования природных ресурсов.
Кроме того, использование подводного дрона с технической клешней может повысить эффективность и скорость исследований водных пространств и морского дна, в частности, обеспечивая возможность составление карт местности и глубоководных труднодоступных пещер. Это позволяет расширить границы исследований под водой и получить новые знания о мире, скрытом под водной гладью. В общем и целом перспективы использования подводных дронов с установленной технической пробиркой в исследованиях морской среды не ограничены определенной сферой деятельности.
Подводя итог вышесказанному, хочется еще раз отметить, что использование подводного дрона с установленной технической пробиркой представляет собой перспективный и высокоэффективный инструмент для исследований под водой, который открывает новые возможности для изучения, мониторинга и охраны водных экосистем. Также стоит помнить, что дальнейшее развитие и применение этой технологии могут значительно улучшить наше понимание протекания различных процессов в водной биосфере, что способствует сохранению биологического разнообразия и устойчивому использованию водных экосистем.
Литература
1. Змеев АД., Рогожников А.О., Ястребов Д.П. Разработка и организация испытаний подводного дрона модульной конструкции // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование: Материалы Тринадцатой нац. науч.-практ. конф. (Петропавловск-Камчатский, 22-23 марта 2022 г.). - Петропавловск-Камчатский: Изд-во Кам-чатГТУ, 2022. - С. 97-101.
2. Гараев Р.А., Рогожников А.О. Разработка робота-манипулятора для работы в морских условиях // Молодежь. Наука. Инновации. - 2023. - Т. 1. - С. 616-621.
3. Гараев Р.А., Рогожников А.О. Перспектива использования робота-манипулятора в различных отраслях // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Пятой междунар. науч.-техн. конф. (Петропавловск-Камчатский, 18-21 октября 2022 г.). - Петропавловск-Камчатский: Изд-во КамчатГТУ, 2022. - С. 57-60.
4. Рогожников А.О., Белов О.А. Разработка программного обеспечения обработки данных для автоматизированного устройства контроля коррозионной защиты // Техническая эксплуатация
водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Четвертой междунар. науч.-техн. конф. (Петропавловск-Камчатский, 25-26 ноября 2021 г.). - Петропавловск-Камчатский: Изд-во КамчатГТУ, 2022. - С. 63- 68.
5. Гараев Р.А., Змеев АД. Перспектива эксплуатации подводного дрона с установленной механической клешней // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Шестой нац. (всерос.) науч.-техн. конф. (Петропавловск-Камчатский, 09-10 ноября 2023 г.). - Петропавловск-Камчатский: Изд-во КамчатГТУ, 2024. - С. 39-42.
6. Змеев АД., Рогожников А.О. Натурные испытания по подбору мощности освещения для подводного дрона модульной конструкции // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Пятой междунар. науч.-практ. конф. (Петропавловск-Камчатский, 18-21 октября 2022 г.). - Петропавловск-Камчатский: Изд-во КамчатГТУ, 2022. -С.109-112.
