Автономный робот для взятия проб воды
В статье рассматривается новый автономный робот для взятия проб воды. Целью работы является разработка робота, способного брать пробы воды с заданной глубины с высокой точностью позиционирования, в частности, для случая взятия проб вблизи поверхности водоема. Корпус робота, состоит из двух часте...
Saved in:
| Published in: | Штучний інтелект |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56578 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Автономный робот для взятия проб воды / Т. Акинфиев, А. Апальков, М. Армада // Штучний інтелект. — 2010. — № 3. — С. 562-569. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859977761213382656 |
|---|---|
| author | Акинфиев, Т. Апальков, А. Армада, М. |
| author_facet | Акинфиев, Т. Апальков, А. Армада, М. |
| citation_txt | Автономный робот для взятия проб воды / Т. Акинфиев, А. Апальков, М. Армада // Штучний інтелект. — 2010. — № 3. — С. 562-569. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Штучний інтелект |
| description | В статье рассматривается новый автономный робот для взятия проб воды. Целью работы является разработка робота, способного брать пробы воды с заданной глубины с высокой точностью позиционирования, в частности, для случая взятия проб вблизи поверхности водоема. Корпус робота, состоит из двух частей, верхней и нижней, которые связаны зубчатым ремнем. Для увеличения точности позиционирования используются специальные датчики.
У статті розглядається новий автономний робот для взяття проб води. Метою роботи є розробка робота, який здатен брати проби води із заданої глибини з високою точністю позиціонування, зокрема, для випадку взяття проб поблизу поверхні водоймища. Корпус робота складається з двох частин, верхньої та нижньої, які зв’язані зубчастим ременем. Для збільшення точності позиціонування використовуються спеціальні датчики.
In this paper a design of a new autonomous underwater robot for sampling of water is considered. The objective of the concept is to create a robot with a possibility of water sampling from certain depth with acceptably high accuracy, especially when it is required to take sample of water in close proximity to a reservoir surface. The robot’s body has the top part, the bottom part and a toothed belt connecting them. Sensors fusion is used to increase accuracy.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:24:23Z |
| format | Article |
| fulltext |
«Искусственный интеллект» 3’2010 562
6А
УДК 004.896.006.1(204.1)
Т. Акинфиев, А. Апальков, М. Армада
Центр автоматики и робототехники (CAR UPM-CSIC), г. Мадрид, Испания
teodor@iai.csic.es
Автономный робот для взятия проб воды
В статье рассматривается новый автономный робот для взятия проб воды. Целью работы является
разработка робота, способного брать пробы воды с заданной глубины с высокой точностью пози-
ционирования, в частности, для случая взятия проб вблизи поверхности водоема. Корпус робота,
состоит из двух частей, верхней и нижней, которые связаны зубчатым ремнем. Для увеличения
точности позиционирования используются специальные датчики.
Введение
В настоящее время взятие проб воды для химических или биологических
анализов с определенной глубины водоема осуществляется с корабля [1], [2]. При
этом оператор вручную или с помощью подъемного крана опускает в воду емкость
для взятия проб воды и на определенной глубине с помощью дополнительного троса
открывает эту емкость и закрывает ее после заполнения емкости водой. При таком
подходе в качестве точки отсчета используется палуба корабля, что приводит к
значительным ошибкам в определении реальной глубины, с которой берется проба
воды. Такие факторы, как приливы и отливы, качка корабля, ошибки в определении
длины троса и т.д., могут создавать погрешность в определении глубины порядка
нескольких метров. Особенно критична такая ошибка в том случае, когда требуется
взять пробу воды на малом расстоянии от поверхности водоема.
Дополнительный недостаток такого метода состоит в том, что для взятия проб
воды в разных точках необходимо осуществлять перемещение крупногабаритного
корабля между этими точками и его остановку в требуемых точках. Это приводит к
большим затратам топлива и, как следствие, к высокой стоимости каждой пробы воды.
Использование известных автономных подводных аппаратов (типа миниатюрной
подводной лодки [3], [4]), у которых глубина погружения определяется с помощью
датчика давления воды, не дает возможности увеличить точность определения глу-
бины, с которой берется проба воды, из-за влияния на показания датчика давления
таких факторов, как приливы и отливы, волны на поверхности воды и изменение
атмосферного давления. Кроме того, в момент взятия пробы воды изменяется вес
аппарата, что приводит к нарушению равенства веса аппарата и архимедовой силы.
Как следствие этого аппарат начинает погружаться, а для восстановления равновесия
требуется с помощью системы управления изменять вес или объем аппарата, однако из-
за возникающего запаздывания аппарат не остается на той же глубине, что создает
дополнительную погрешность в точности позиционирования.
В работе [5] описан робот для взятия проб воды вблизи дна водоема. Этот ро-
бот обеспечивает высокую точность позиционирования, но его применение оправда-
но только в тех случаях, когда глубина водоема составляет 50 – 100 метров.
Целью данной работы является разработка автономного подводного робота,
способного брать пробы воды вблизи поверхности водоема в заранее заданных
точках с требуемой глубины, обеспечивая при этом высокую точность позициониро-
вания и низкую стоимость проб воды.
Автономный робот для взятия проб воды
«Штучний інтелект» 3’2010 563
6А
Основные принципы конструирования робота
Для снижения стоимости проб воды робот должен иметь возможность работать
автономно, перемещаясь от базы (расположенной на берегу или корабле) к точкам
взятия проб и обратно без помощи оператора, а также автоматически брать пробы
воды в заданных точках, определяя глубину с высокой точностью.
Автономность перемещения робота между заданными точками может быть обеспе-
чена при наличии мотора с гребным винтом и управляемым от системы управления
рулем, причем система управления должна содержать блок GPS. Так как антенна
GPS не может работать под водой, то робот должен иметь надводную часть (рис. 1).
Рисунок 1 – Схема робота в момент движения по поверхности воды (слева)
и в момент взятия пробы воды (справа)
Подводный робот [6] состоит из двух частей, связанных гибким нерастяжимым
зубчатым ремнем (рис. 2), имеющим устройство изменения эффективной длины
этого ремня. В нижней части робота располагаются приемники для проб воды. Робот
имеет положительную плавучесть, так что только доля верхней части робота находится
над водой. Наличие надводной части позволяет стабилизировать положение равно-
весия робота. В то же время наличие надводной части робота приводит к тому, что на
эту часть действуют возмущающие воздействия. Эти воздействия можно разделить
на детерминированные и случайные. Влияние детерминированных внешних воздей-
ствий, таких как приливы и отливы, может быть скомпенсировано с помощью системы
управления, которая должна содержать данные о приливах и отливах в зависимости
от времени. Влияние случайных воздействий, таких как периодические волны на по-
верхности, скомпенсировано за счет специального дизайна робота. Для этого надвод-
ная часть робота имеет малую площадь поперечного сечения. В этом случае робот
будет динамически являться апериодическим звеном, способным отфильтровывать внеш-
ние периодические вертикальные силы.
Акинфиев Т., Апальков А., Армада М.
«Искусственный интеллект» 3’2010 564
6А
Дополнительная особенность робота – способность брать пробы воды без
изменения веса робота. Это необходимо для того, чтобы, взяв пробу воды, робот не
изменял своей вертикальной координаты. Достигается это специальной конструкцией
емкостей для проб и соответствующим алгоритмом управления.
Конструкция робота
Рисунок 2 – Схема элементов робота
Как уже было сказано выше, корпус робота состоит из двух частей (рис. 2).
Верхняя часть 1 имеет положительную плавучесть, а нижняя часть 2 – отрицательную
плавучесть. Нижняя часть соединена с верхней частью зубчатым ремнем 3. Весь
робот в целом имеет небольшую положительную плавучесть, выбранную таким
образом, чтобы некоторая доля верхней части робота оставалась выше поверхности
воды. Для выбора подходящей величины плавучести на нижней части робота уста-
новлен регулировочный груз 8. На верхней части робота имеется мотор 4 с гребным
винтом 5 и управляемым от системы управления рулем 6. Система управления со-
держит блок GPS, антенна 7 которого находится на самой верхней точке верхней
части робота.
При взятии пробы воды масса робота не должна изменяться. В противном слу-
чае это может привести к нарушению равенства веса аппарата и архимедовой силы и
робот изменит глубину погружения. В нижней части робота расположены две одина-
ковые емкости для проб, причем одна из них, 10, изначально заполнена водой. Вторая,
11, расположенная параллельно первой, остается пустой. Обе емкости снабжены
поршнями, соединенными друг с другом штангами 12, закрепленными на направляю-
щих 13. Вал электродвигателя 14 снабжен резьбовой насадкой, проходящей через штан-
ги 12, имеющие ответную часть. При вращении мотора поршни обеих емкостей начи-
нают перемещаться с одинаковой скоростью. При этом количество воды, выходящей из
емкости 10, равно количеству воды, поступающей в емкость 11. Таким образом, масса
робота (как и его плавучесть) в процессе взятия проб остается постоянной. Отметим,
4 5
6
7
8
а
1
2
3
б
10
11
9
12 12
13
14
Автономный робот для взятия проб воды
«Штучний інтелект» 3’2010 565
6А
что данная конструкция разработана только для лабораторного образца робота. Для
промышленного прототипа робота, содержащего большое количество емкостей для
проб, разработана другая конструкция. Эта конструкция позволяет, используя только
один мотор, последовательно заполнять любое количество емкостей для проб воды без
изменения веса и, соответственно, плавучести робота.
Зубчатый ремень 3 связан со снабженным оптическим датчиком угла поворота
мотором 9 через специальный шкив. Эффективная длина зубчатого ремня характери-
зует глубину погружения нижней части робота и, соответственно, ту глубину, на кото-
рой в данный момент будет браться проба воды. Оптический датчик угла поворота
мотора 9 позволяет системе управления получать информацию об эффективной длине
ремня с высокой точностью. Естественно, это возможно только в том случае, когда
зубчатый ремень не перескакивает через зуб шкива. Для предотвращения такого пере-
скакивания на верхней части корпуса робота установлен специальный подпружиненный
ограничитель (рис. 3), прижимающий зубчатый ремень к шкиву.
Рисунок 3 – Подпружиненный ограничитель хода зубчатого ремня
Работа робота
Робот работает в двух различных режимах. Первый из них – режим гори-
зонтального перемещения по поверхности воды к точке с заранее заданными коорди-
натами, а второй – режим вертикального перемещения нижней части робота и взятия
проб воды.
Предполагается, что существует расположенная на берегу или корабле база.
Оператор на базе записывает в систему управления робота координаты точек, в которых
требуется взять пробы воды и глубину, с которой требуется брать каждую из проб.
Кроме того, в случае необходимости, оператор записывает в систему управления ко-
ординаты промежуточных точек, определяющих траекторию движения робота (рис. 4).
Нижняя часть корпуса робота с помощью зубчатого ремня прижата к верхней
части корпуса. Оператор опускает робота в воду. Робот, ориентируясь на сигналы
навигатора, с помощью гребного винта и руля плывет по заранее заданной траек-
тории через промежуточные точки к той точке, в которой требуется взять пробу
воды. При достижении этой точки с заранее заданной точностью робот останавли-
вается и переходит в режим взятия пробы воды. После завершения этого режима ро-
бот по проходящей через промежуточные точки траектории движется к следующей
точке, в которой требуется взять пробу воды. Далее процесс повторяется аналоги-
чным образом, а по завершении взятия всех проб воды робот автоматически возвра-
щается на базу, где оператор забирает все взятые пробы воды.
Акинфиев Т., Апальков А., Армада М.
«Искусственный интеллект» 3’2010 566
6А
Рисунок 4 – Пример траектории движения робота при взятии проб в нескольких
точках. – база, – точки, в которых осуществляется взятие проб воды, –
заранее заданные точки, через которые должен пройти робот
Второй режим работы робота – взятие проб воды – осуществляется следующим
образом. Робот находится на поверхности воды в той точке, в которой требуется
взять пробу воды. Система управления с помощью мотора 9 начинает вращать шкив
и таким образом увеличивает эффективную длину зубчатого ремня. При этом нижняя
часть робота, имеющая отрицательную плавучесть, начинает тонуть. В тот момент,
когда эффективная длина зубчатого ремня, вычисляемая системой управления с по-
мощью оптического датчика угла поворота мотора 9, соответствует той глубине
водоема, с которой требуется взять пробу воды, мотор прекращает перемещение
ремня и удерживает его в таком положении.
После того, как система управления получила сигнал о том, что нижняя часть
корпуса робота находится на требуемой глубине, робот приступает к взятию пробы
воды на данной глубине. Для этого мотор 14 начинает перемещать штанги 12 и
связанные с ними поршни в сосудах 10 и 11. Поршень в сосуде 10 вытесняет имею-
щуюся там балластную воду, а поршень в сосуде 11 втягивет забортную воду в сосуд.
Таким образом сосуд 11 оказывается заполненным пробой воды, взятой в точке с
заданными координатами и с заданной глубины. В том случае, когда необходимо
взять пробу воды в той же точке, но с другой глубины, снова изменяют эффективную
длину зубчатого ремня и действуют аналогично тому, как и при взятии первой пробы.
Завершив взятие проб воды в данной точке, робот переходит в первый режим
работы для перемещения к следующей точке, в которой требуется взять пробы воды.
Для перехода в первый режим работы мотор 9 уменьшает эффективную длину
зубчатого ремня и прижимает нижнюю часть корпуса робота к верхней части кор-
пуса. После этого робот готов к тому, чтобы начать двигаться к следующей точке, в
которой требуется взять пробы воды, или вернуться на базу.
Автономный робот для взятия проб воды
«Штучний інтелект» 3’2010 567
6А
Экспериментальные исследования робота
Рисунок 5 – Взятие проб воды с разных глубин
Испытания робота (рисунок 5) проводились в специальном бассейне глубиной
2 метра. В ходе лабораторных испытаний элементов показано, что он может обеспе-
чить точность позиционирования по глубине порядка одного миллиметра. Отметим,
что эта точность относится к ситуации, когда процесс изменения эффективной дли-
ны зубчатого ремня является квазистатическим, робот находится в стоячей воде, а
эффективная длина зубчатого ремня меньше одного метра.
Были проведены специальные эксперименты по изучению влияния волн на
поверхности воды на точность позиционирования робота (рис. 6). Показано, что чем
меньше площадь поперечного сечения верхней части робота, тем меньше волны
влияют на точность позиционирования по вертикали. Так, при выполнении верхней
части робота в виде трубки с площадью поперечного сечения 3 квадратных санти-
метра, колебания робота по вертикали под действием волн с амплитудой до 10 сан-
тиметров составляли всего несколько миллиметров.
В реальных условиях работы робота в море точность позиционирования по глу-
бине может существенно ухудшиться из-за влияния таких факторов, как зависимость
температуры воды от глубины погружения и наличия морских течений, которые
могут иметь разную скорость вблизи поверхности и на глубине. Тем не менее, при
наличии специальных датчиков соответствующие погрешности могут быть скомпенси-
рованы с помощью системы управления.
Так, наличие морского течения с разными скоростями вблизи поверхности и на
глубине, может привести к тому, что не только зубчатый ремень будет иметь не-
который угол наклона, но верхняя и нижняя части корпуса робота также могут иметь
небольшой наклон. Это приведет к существенным погрешностям при определении
реальной глубины, с которой берется проба воды, особенно в тех случаях, когда эф-
Акинфиев Т., Апальков А., Армада М.
«Искусственный интеллект» 3’2010 568
6А
фективная длина зубчатого ремня достаточно велика. Для устранения этого недо-
статка можно использовать высокоточные датчики угла наклона, связанные с сис-
темой управления, которая в этом случае сможет автоматически вносить коррективы
и выбирать требуемую эффективную длину зубчатого ремня с учетом возможных
наклонов элементов робота. Особенно важно использовать датчик угла наклона зуб-
чатого ремня, но представляется целесообразным использовать также датчики углов
наклона верхней и нижней частей корпуса робота.
Рисунок 6 – Изучение влияния волн на точность позиционирования
Изменение температуры воды в зависимости от глубины погружения несколько
изменяет эффективную длину зубчатого ремня за счет теплового расширения. Расчеты
показывают, что при длине зубчатого ремня порядка нескольких десятков метров
реальная длина зубчатого ремня за счет этого эффекта может измениться на величину
порядка 1 сантиметра. Для устранения этой погрешности можно использовать связан-
ный с системой управления датчик температуры забортной воды, расположенный на
верхней части корпуса робота. Такой датчик позволит системе управления в зависи-
мости от температуры забортной воды вносить корректировку в величину требуемой
эффективной длины зубчатого ремня.
Выводы
Разработана концепция нового автономного робота для взятия проб воды.
Робот способен автономно перемещаться к заданным точкам и в этих точках брать
пробы воды с заданной глубины с высокой точностью позиционирования, что осо-
бенно важно для случая, когда пробы берутся вблизи дна водоема. Робот имеет верх-
нюю и нижнюю части корпуса, которые связаны зубчатым ремнем. В роботе исполь-
Автономный робот для взятия проб воды
«Штучний інтелект» 3’2010 569
6А
зуются как стандартные датчики, так и специально разработанные датчики, которые
обеспечивают нормальное функционирование робота с высокой точностью позицио-
нирования. Разработаны новые алгоритмы управления этим роботом.
Благодарности
Т. Акинфиев выражает благодарность Высшему совету научных исследований
Испании (CSIC) за финансовую поддержку настоящей работы, А. Апальков выражает
благодарность Министерству науки и инноваций Испании.
Литература
1. Encyclopaedia of Ocean Sciences. – Vol. 1. – P. 579-588
2. Woods Hole Oceanographic Institution [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://www.whoi.edu/
page.do?pid=8415&tid=201&cid=422&ct =362 (2009).
3. Technology and applications of autonomous underwater vehicles / Edited by G. Griffiths. – Taylor and
Francis Group. – 2003.
4. Novick D. The development of a highly manoeuvrable underwater vehicle / D. Novick, R. Pitzer [et al.] //
Robotics 98 : The 3rd International Conference and Exposition/Demonstration on Robotics for Chal-
lenging Environments. – 1998.
5. Акинфиев Т. Концепция автономного робота для взятия проб воды / Т. Акинфиев, Р. Фернандес,
Армада М. // Искусственный интеллект. – 2009. – № 3. – С. 278-284.
6. Device for sampling of water and method of control of the same. Patent application ES200930093
(2009) / T. Akinfiev, R. Fernandez, M. Armada.
Т. Акінфієв, А. Апальков, М. Армада
Автономний робот для взяття проб води
У статті розглядається новий автономний робот для взяття проб води. Метою роботи є розробка робота,
який здатен брати проби води із заданої глибини з високою точністю позиціонування, зокрема, для
випадку взяття проб поблизу поверхні водоймища. Корпус робота складається з двох частин, верхньої та
нижньої, які зв’язані зубчастим ременем. Для збільшення точності позиціонування використовуються
спеціальні датчики.
T. Akinfiev, A. Apalkov, M. Armada
Autonomous Robot for Water Sampling
In this paper a design of a new autonomous underwater robot for sampling of water is considered. The
objective of the concept is to create a robot with a possibility of water sampling from certain depth with
acceptably high accuracy, especially when it is required to take sample of water in close proximity to a
reservoir surface. The robot’s body has the top part, the bottom part and a toothed belt connecting them.
Sensors fusion is used to increase accuracy.
Статья поступила в редакцию 28.05.2010.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-56578 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1561-5359 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:24:23Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Акинфиев, Т. Апальков, А. Армада, М. 2014-02-19T21:58:53Z 2014-02-19T21:58:53Z 2010 Автономный робот для взятия проб воды / Т. Акинфиев, А. Апальков, М. Армада // Штучний інтелект. — 2010. — № 3. — С. 562-569. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1561-5359 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56578 004.896.006.1(204.1) В статье рассматривается новый автономный робот для взятия проб воды. Целью работы является разработка робота, способного брать пробы воды с заданной глубины с высокой точностью позиционирования, в частности, для случая взятия проб вблизи поверхности водоема. Корпус робота, состоит из двух частей, верхней и нижней, которые связаны зубчатым ремнем. Для увеличения точности позиционирования используются специальные датчики. У статті розглядається новий автономний робот для взяття проб води. Метою роботи є розробка робота, який здатен брати проби води із заданої глибини з високою точністю позиціонування, зокрема, для випадку взяття проб поблизу поверхні водоймища. Корпус робота складається з двох частин, верхньої та нижньої, які зв’язані зубчастим ременем. Для збільшення точності позиціонування використовуються спеціальні датчики. In this paper a design of a new autonomous underwater robot for sampling of water is considered. The objective of the concept is to create a robot with a possibility of water sampling from certain depth with acceptably high accuracy, especially when it is required to take sample of water in close proximity to a reservoir surface. The robot’s body has the top part, the bottom part and a toothed belt connecting them. Sensors fusion is used to increase accuracy. ru Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України Штучний інтелект Интеллектуальные робототехнические системы Автономный робот для взятия проб воды Автономний робот для взяття проб води Autonomous Robot for Water Sampling Article published earlier |
| spellingShingle | Автономный робот для взятия проб воды Акинфиев, Т. Апальков, А. Армада, М. Интеллектуальные робототехнические системы |
| title | Автономный робот для взятия проб воды |
| title_alt | Автономний робот для взяття проб води Autonomous Robot for Water Sampling |
| title_full | Автономный робот для взятия проб воды |
| title_fullStr | Автономный робот для взятия проб воды |
| title_full_unstemmed | Автономный робот для взятия проб воды |
| title_short | Автономный робот для взятия проб воды |
| title_sort | автономный робот для взятия проб воды |
| topic | Интеллектуальные робототехнические системы |
| topic_facet | Интеллектуальные робототехнические системы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56578 |
| work_keys_str_mv | AT akinfievt avtonomnyirobotdlâvzâtiâprobvody AT apalʹkova avtonomnyirobotdlâvzâtiâprobvody AT armadam avtonomnyirobotdlâvzâtiâprobvody AT akinfievt avtonomniirobotdlâvzâttâprobvodi AT apalʹkova avtonomniirobotdlâvzâttâprobvodi AT armadam avtonomniirobotdlâvzâttâprobvodi AT akinfievt autonomousrobotforwatersampling AT apalʹkova autonomousrobotforwatersampling AT armadam autonomousrobotforwatersampling |