Концепция автономного робота для взятия проб воды
В статье рассматривается концепция разработки нового автономного робота, способного брать пробы воды с заданной глубины с высокой точностью позиционирования, особенно для случая взятия проб вблизи дна водоема. Робот имеет верхнюю и нижнюю части корпуса, которые связаны зубчатым ремнем. Для увелич...
Saved in:
| Date: | 2009 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8071 |
| 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: | Концепция автономного робота для взятия проб воды / Т. Акинфиев, Р. Фернандес, М. Армада // Штучний інтелект. — 2009. — № 3. — С. 278-284. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859706237752442880 |
|---|---|
| author | Акинфиев, Т. Фернандес, Р. Армада, М. |
| author_facet | Акинфиев, Т. Фернандес, Р. Армада, М. |
| citation_txt | Концепция автономного робота для взятия проб воды / Т. Акинфиев, Р. Фернандес, М. Армада // Штучний інтелект. — 2009. — № 3. — С. 278-284. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | В статье рассматривается концепция разработки нового автономного робота, способного брать пробы
воды с заданной глубины с высокой точностью позиционирования, особенно для случая взятия проб
вблизи дна водоема. Робот имеет верхнюю и нижнюю части корпуса, которые связаны зубчатым ремнем.
Для увеличения точности позиционирования используются специальные датчики.
У статті розглядається концепція розробки нового автономного робота для взяття проб води із заданої
глибини з високою точністю позиціонування, особливо для випадку взяття проб поблизу дна водоймища.
Робот має верхню і нижню частини корпуси, які зв’язані зубчатим ременем. Для збільшення точності
позиціонування використовуються спеціальні датчики.
In this paper a concept 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 bottom. 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 | 2025-12-01T03:21:26Z |
| format | Article |
| fulltext |
«Искусственный интеллект» 3’2009 278
6А
УДК 004.896.006.1(204.1)
Т. Акинфиев, Р. Фернандес, М. Армада
Институт промышленной автоматики Высшего совета научных исследований
Испании (IAI CSIC), г. Мадрид
teodor@iai.csic.es
Концепция автономного робота
для взятия проб воды
В статье рассматривается концепция разработки нового автономного робота, способного брать пробы
воды с заданной глубины с высокой точностью позиционирования, особенно для случая взятия проб
вблизи дна водоема. Робот имеет верхнюю и нижнюю части корпуса, 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
руками или с помощью подъемного крана опускает в воду емкость для проб воды и на
определенной глубине с помощью дополнительного троса открывает 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 вблизи дна 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 глубины,
с которой берется проба воды, из-за влияния на показания датчика давления таких
параметров, как приливы и отливы, влияние волн 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.
Целью данной работы является разработка автономного подводного робота,
способного брать пробы воды в заранее заданных точках с требуемой глубины,
обеспечивая при этом высокую точность позиционирования и низкую стоимость
проб воды.
Концепция автономного робота для взятия проб воды
«Штучний інтелект» 3’2009 279
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
обеспечена 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 возможность
плыть в надводном положении.
Рисунок 1 – Схема робота в момент движения по поверхности воды (слева)
и в момент взятия пробы воды (справа)
Для обеспечения высокой точности позиционирования емкости для сбора проб
воды необходимо отсчитывать координату от такой точки, которая не изменяет своего
положения при волнении на поверхности, во время прилива и т.д. Естественно, что этому
условию удовлетворяет точка на дне водоема. Таким образом, робот должен опираться на
дно водоема и в то же время иметь возможность брать пробу воды из точки, которая на-
ходится на заранее заданном расстоянии от дна. Эти требования приводят к
необходимости создания подводного робота [5], корпус которого состоит из двух частей,
связанных гибким нерастяжимым тросом (рис. 1), имеющим устройство изменения
эффективной длины этого троса. Верхняя часть корпуса робота всегда должна иметь
положительную плавучесть (как с пустыми сосудами для проб воды, так и с заполнен-
ными сосудами), а нижняя часть корпуса робота всегда должна иметь отрицательную
плавучесть. Так как робот работает в двух режимах (надводном и подводном), то весь
робот должен иметь положительную плавучесть для надводного режима и отрица-
тельную плавучесть для подводного режима и, таким образом, иметь устройство для
изменения плавучести.
Акинфиев Т., Фернандес Р., Армада М.
«Искусственный интеллект» 3’2009 280
6А
Конструкция робота
Верхняя часть корпуса робота [5] схематично представлена на рис. 2.
Рисунок 2 – Схема верхней части корпуса робота
Верхняя часть корпуса робота содержит систему управления 1 с источником
питания и снабженные клапанами 2 емкости 3 для проб воды. Устройство для изме-
нения плавучести робота выполнено в виде снабженного поршнем со штоком одно-
стороннего цилиндра 4, причем шток поршня связан с приводом 5. Этот цилиндр
служит для того, чтобы набирать забортную воду для уменьшения плавучести робота
и выталкивать воду из цилиндра для увеличения плавучести робота. Объем и вес ро-
бота выбраны таким образом, чтобы робот плавал при пустом цилиндре (4) и тонул,
когда цилиндр (4) заполнен водой.
Для перемещения робота на корпусе установлен гребной винт 6 с приводом 7 и
руль 8 с приводом 9. Гибкий нерастяжимый трос, связывающий верхнюю и нижнюю
части корпуса робота, выполнен в виде разомкнутого зубчатого ремня 10, один из кон-
цов которого жестко связан с нижней частью корпуса робота, а второй конец зубчатого
ремня выполнен свободным. Ремень 10 взаимодействует с зубчатым шкивом 11, закреп-
ленным на верхней части корпуса с возможностью вращения. Зубчатый шкив 11 связан
со снабженным оптическим датчиком угла поворота электромотором 12. Все электро-
моторы, клапана и датчики связаны с системой управления 1, которая содержит также
спутниковый навигатор, связанный с антенной 13.
Оптический датчик угла поворота мотора 5 позволяет системе управления полу-
чать информацию об эффективной длине ремня с высокой точностью. Естественно, это
возможно только в том случае, когда зубчатый ремень не перескакивает через зуб шкива.
1
2 3 4
5
6
7
8 9 10 11
13
12
Концепция автономного робота для взятия проб воды
«Штучний інтелект» 3’2009 281
6А
Для предотвращения такого перескакивания на верхней части корпуса робота установ-
лен специальный ограничитель 14 (рис. 3), прижимающий зубчатый ремень к шкиву.
Рисунок 3 – Узел «шкив – зубчатый ремень» с ограничителем хода ремня 14
На нижней части корпуса робота установлен датчик контакта с дном. Один из
вариантов реализации такого датчика представлен на рис. 4. Датчик контакта состоит
из корпуса 15, в котором установлен подпружиненный шток 16 с закрепленным шаром
на одном конце и с постоянным магнитом 17 на другом конце. На корпусе 15
закреплен герметизированный магнитоуправляемый контакт (геркон) 18, установленный
с возможностью взаимодействия с магнитом 17. При возникновении контакта шара с
опорной поверхностью пружина сжимается, а магнит 17 приближается к геркону 18.
Контакты геркона замыкаются, а соответствующий сигнал информирует систему
управления о том, что нижняя часть корпуса робота находится в контакте с дном
водоема.
Рисунок 4 – Датчик контакта нижней части корпуса робота с дном водоема
11
1
1
17 18
16
15
Акинфиев Т., Фернандес Р., Армада М.
«Искусственный интеллект» 3’2009 282
6А
Работа робота
Робот работает в двух различных режимах. Первый из них – надводный – соот-
ветствует движению робота по поверхности воды, а второй режим – подводный – соот-
ветствует процессу взятия проб воды.
Предполагается, что существует расположенная на берегу или корабле база.
Оператор на базе записывает в систему управления робота координаты точек, в кото-
рых требуется взять пробы воды, и глубину, с которой требуется брать каждую из
проб. Кроме того, в случае необходимости, оператор записывает в систему управления
координаты промежуточных точек, определяющих траекторию движения робота (рис. 5).
Оператор (рис. 2) с помощью привода (5) перемещает поршень цилиндра (4) в
крайнее верхнее положение (в этом положении цилиндр не заполнен водой и робот
имеет положительную плавучесть). 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 траектории через промежуточные точки к той точке, в которой
требуется взять пробу воды. При достижении этой точки с заранее заданной точностью
робот останавливается и переходит в режим взятия пробы воды. После завершения
этого режима робот по проходящей через промежуточные точки траектории движется
к следующей точке, в которой требуется взять пробу воды. Далее процесс повторяется
аналогичным образом, а по завершении взятия всех проб воды робот автоматически
возвращается на базу, где оператор забирает все взятые пробы воды.
Рисунок 5 – 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. По сигналу системы управления 1 мотор 5 перемещает вниз поршень
цилиндра 4, а забортная вода заполняет всю верхнюю часть цилиндра 4 (рис. 2).
Вес робота увеличивается, робот тонет и опускается на дно. В тот момент, когда
нижняя часть робота начинает опираться на дно, срабатывает установленный на ниж-
ней части корпуса робота датчик контакта с дном и посылает соответствующий сиг-
нал в систему управления. Система управления с помощью мотора 12 начинает вра-
щать шкив 11 и, таким образом, увеличивает эффективную длину зубчатого ремня 10.
При этом верхняя часть робота, имеющая положительную плавучесть, начинает всплы-
вать. В тот момент, когда эффективная длина зубчатого ремня, вычисляемая систе-
Концепция автономного робота для взятия проб воды
«Штучний інтелект» 3’2009 283
6А
мой управления с помощью оптического датчика угла поворота мотора 12, соответ-
ствует той глубине водоема, с которой требуется взять пробу воды, мотор 12 прекра-
щает перемещение ремня и удерживает его в таком положении.
Следует отметить, что эффективная длина зубчатого ремня не всегда однозначно за-
дает положение верхней части корпуса робота. Одна из причин этого состоит в том, что в
момент торможения двигателем 12 нижняя часть корпуса робота может временно ото-
рваться от дна. В этом случае система управления получит соответствующий сигнал от
датчика контакта нижней части корпуса робота с дном водоема. Вторая причина связана с
тем, что при всплывании верхней части корпуса робота возникает сила вязкого трения о
воду, которая очень быстро увеличивается с увеличением скорости всплывания. Это может
привести к тому, что эффективная длина зубчатого ремня уже соответствует требуемой, но
ненатянутый ремень может деформироваться, а процесс всплытия при этом продолжается.
Перед тем, как открывать клапан для заполнения емкости пробой воды, система управле-
ния должна получить информацию о том, что процесс всплытия прекратился. Это можно
сделать с помощью простейшего датчика натяжения зубчатого ремня (если ремень натянут,
то процесс всплытия прекратился) или с помощью датчика давления забортной жидкости.
Для этого система управления должна анализировать изменение давления забортной жид-
кости. Если давление уменьшается, то верхняя часть робота еще всплывает, а если давление
совершает малые колебания вокруг некоторого значения, то процесс всплытия завершился.
После того, как система управления получила сигнал о том, что верхняя часть
корпуса робота находится на требуемой глубине и процесс всплытия завершен, откры-
вается электромагнитный клапан 2. Забортная вода заполняет емкость 3 для пробы воды,
вытесняя ранее имеющийся там воздух. По истечении времени, достаточного для запол-
нения емкости, клапан закрывается. 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 5 перемещает поршень цилиндра 4 в край-
нее верхнее положение, вытесняя имеющуюся в цилиндре воду. Это приводит к возник-
новению положительной плавучести робота, который начинает всплывать. Во время
всплытия мотор 12 уменьшает эффективную длину зубчатого ремня и прижимает ниж-
нюю часть корпуса робота к верхней части корпуса. После этого робот готов к тому,
чтобы начать двигаться к следующей точке, в которой требуется взять пробу воды.
В ходе лабораторных испытаний элементов робота показано, что он может
обеспечить точность позиционирования по глубине порядка одного миллиметра.
Отметим, что эта точность относится к ситуации, когда робот находится в стоячей
воде, а эффективная длина зубчатого ремня менее одного метра.
В реальных условиях работы робота в море точность позиционирования по глу-
бине может существенно ухудшиться из-за таких факторов, как зависимость темпе-
ратуры воды от глубины погружения и морских течений.
Так, наличие морского течения может привести к тому, что не только зубчатый
ремень будет иметь некоторый 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 эффективная длина зубчатого ремня достаточно велика. Для устранения
этого недостатка можно использовать высокоточные датчики угла наклона, связанные с
системой 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 использовть также датчики углов
наклона верхней и нижней частей корпуса робота.
Акинфиев Т., Фернандес Р., Армада М.
«Искусственный интеллект» 3’2009 284
6А
Изменение температуры воды в зависимости от глубины погружения несколько из-
меняет эффективную длину зубчатого ремня за счет эффекта теплового расширения. Рас-
четы показывают, что при длине зубчатого ремня порядка нескольких десятков метров,
реальная длина зубчатого ремня за счет этого эффекта может измениться на величину по-
рядка 1 сантиметра. Для устранения этой погрешности можно использовать связанный с
системой управления датчик температуры забортной воды, расположенный на верхней
части корпуса робота. Такой датчик позволит системе управления в зависимости от тем-
пературы 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 особенно важно для
случая, когда пробы берутся вблизи дна водоема. Робот имеет верхнюю и нижнюю части
корпуса, которые связаны зубчатым ремнем. В роботе используются как стандартные
датчики, так и специально разработанные датчики, которые обеспечивают нормальное
функционирование робота с высокой точностью позиционирования. Разработаны новые
алгоритмы управления этим роботом.
Благодарности
Т. Акинфиев выражает благодарность Высшему совету научных исследований
Испании (CSIC) за финансовую поддержку настоящей работы, а Р. Фернандес выра-
жает благодарность Министерству науки и инноваций Испании.
Литература
1. Encyclopaedia of Ocean Sciences. – Vol. 1. – P. 579-588.
2. Woods Hole Oceanographic Institution. – 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 Challenging
Environments. – 1998.
5. Patent application ES200930092 (2009). Device for sampling of water and method of control of the same /
Akinfiev T., Fernandez R., Armada M.
Т. Акінфієв, Р. Фернандес, М. Армада
Концепція автономного робота для узяття проб води
У статті розглядається концепція розробки нового автономного робота для взяття проб води із заданої
глибини з високою точністю позиціонування, особливо для випадку взяття проб поблизу дна водоймища.
Робот має верхню і нижню частини корпуси, які зв’язані зубчатим ременем. Для збільшення точності
позиціонування використовуються спеціальні датчики.
T. Akinfiev, R. Fernandez, M. Armada
A Concept of Autonomous Robot for Water Sampling
In this paper a concept 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 bottom. 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 26.07.2009.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-8071 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1561-5359 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T03:21:26Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Акинфиев, Т. Фернандес, Р. Армада, М. 2010-04-29T10:05:21Z 2010-04-29T10:05:21Z 2009 Концепция автономного робота для взятия проб воды / Т. Акинфиев, Р. Фернандес, М. Армада // Штучний інтелект. — 2009. — № 3. — С. 278-284. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1561-5359 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8071 004.896.006.1(204.1) В статье рассматривается концепция разработки нового автономного робота, способного брать пробы воды с заданной глубины с высокой точностью позиционирования, особенно для случая взятия проб вблизи дна водоема. Робот имеет верхнюю и нижнюю части корпуса, которые связаны зубчатым ремнем. Для увеличения точности позиционирования используются специальные датчики. У статті розглядається концепція розробки нового автономного робота для взяття проб води із заданої глибини з високою точністю позиціонування, особливо для випадку взяття проб поблизу дна водоймища. Робот має верхню і нижню частини корпуси, які зв’язані зубчатим ременем. Для збільшення точності позиціонування використовуються спеціальні датчики. In this paper a concept 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 bottom. 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 Интеллектуальные робототехнические системы Концепция автономного робота для взятия проб воды Концепція автономного робота для узяття проб води A Concept of Autonomous Robot for Water Sampling Article published earlier |
| spellingShingle | Концепция автономного робота для взятия проб воды Акинфиев, Т. Фернандес, Р. Армада, М. Интеллектуальные робототехнические системы |
| title | Концепция автономного робота для взятия проб воды |
| title_alt | Концепція автономного робота для узяття проб води A Concept of Autonomous Robot for Water Sampling |
| title_full | Концепция автономного робота для взятия проб воды |
| title_fullStr | Концепция автономного робота для взятия проб воды |
| title_full_unstemmed | Концепция автономного робота для взятия проб воды |
| title_short | Концепция автономного робота для взятия проб воды |
| title_sort | концепция автономного робота для взятия проб воды |
| topic | Интеллектуальные робототехнические системы |
| topic_facet | Интеллектуальные робототехнические системы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8071 |
| work_keys_str_mv | AT akinfievt koncepciâavtonomnogorobotadlâvzâtiâprobvody AT fernandesr koncepciâavtonomnogorobotadlâvzâtiâprobvody AT armadam koncepciâavtonomnogorobotadlâvzâtiâprobvody AT akinfievt koncepcíâavtonomnogorobotadlâuzâttâprobvodi AT fernandesr koncepcíâavtonomnogorobotadlâuzâttâprobvodi AT armadam koncepcíâavtonomnogorobotadlâuzâttâprobvodi AT akinfievt aconceptofautonomousrobotforwatersampling AT fernandesr aconceptofautonomousrobotforwatersampling AT armadam aconceptofautonomousrobotforwatersampling |