Применение мобильных роботов в условиях техногенных катастроф и в экстремальных условиях

A.A. Базванов, М.Н. Кирсанов

MPEI (Moscow, Russia), bazvanovAA@mpei.ru, mnkirsanov@mpei.ru

Предлагается использование мобильных роботов для текущего мониторинга труднодоступных или опасных зон промышленных зданий (ракетные шахты, радиоактивные саркофаги). Оперативное вмешательство мобильного робота в скрытые процессы позволит предотвратить такие процессы как рост трещин, коррозия, разрушение конструкции.

Техногенные аварии и катастрофы, вероятность возникновения которых достаточно высока, становятся практически неизбежны в силу увеличения сложности производства с применением энергоемких технологий, радиоактивных и токсичных веществ. Невозможно проведение плановых ремонтных работ и замена изношенного оборудования, снижаются требования к эффективности работы надзорных органов и государственной инспекции, падение технологической и производственной дисциплины, снижение уровня квалификации обслуживающего персонала приводит к необратимым последствиям. В этой ситуации особую опасность представляют объекты химической и атомной промышленности. Работающее изношенное оборудование является постоянной угрозой здоровью обслуживающего персонала, а любая нештатная ситуация функционирования может привести к аварии или катастрофе. Поражающие факторы, возникающие при этом, образуют экстремальные условия для выживания в них не только спасаемых, но и личного состава спасателей, ликвидирующих последствия аварий.

Уменьшить степень участия человека при проведении работ в опасных условиях можно, используя дистанционно управляемое оборудование. В связи с этим весьма актуальным является создание робототехнических комплексов, предназначенных для проведения работ по предупреждению или ликвидации последствий нештатных ситуаций.

Робототехнические средства предназначены для:

  • выполнения работ в опасных зонах (разведка, взятие проб, земляные работы, демонтаж и разрушение строительных конструкций и промышленного оборудования, транспортирование опасных предметов);
  • выполнения работ при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций (осмотр мест аварий, разборка и разрушение поврежденных конструкций, манипуляции с радиоактивными и сильнодействующими ядовитыми веществами, борьба с огнем);
  • проведения взрывотехнических работ (поиск, извлечение, транспортирование и обезвреживание или уничтожение взрывоопасных предметов и неразорвавшихся боеприпасов; взрывные работы).

Область применения РТС ограничена:

а) авариями локального характера на химически опасных объектах с полным или частичным разрушением емкостей с отравляющими химическими веществами (ОХВ), с проливом ОХВ на поверхность земли или в подложку с образованием первичного и вторичного облаков ОХВ и локальными очагами пожаров;

б) авариями локального характера (в пределах одного здания или сооружения) на радиационно-опасных объектах при разрушении технологического оборудования с выбросом ионизирующих излучений в окружающую среду.

В состав робота входят транспортный модуль, манипулятор, пульт управления. Система управления состоит из пульта управления, видеомонитора, блока энергоснабжения и блока радиоканала передачи данных. Особенностью конструкции системы управления роботом является наличие последовательной шины данных. Команды, выдаваемые с пульта управления, поступают на все компоненты, подключенные к шине. Каждый узел определяет предназначенные ему команды и данные и выполняет их. Пульт управления также подключен к этой шине. Связь между роботом и пультом управления может осуществляться по дуплексной последовательной шине как по радио, так и по кабелю.

Предлагаемый робот, разработанный в МЭИ(ТУ), представляет собой трехколесную тележку, с двумя независимыми приводами, корпус робота выполнен из ударо- и радиационно-стойких материалов, обеспечивающих высокую надежность при работе в агрессивных средах. В качестве бортового протокола общения используется универсальный последовательный протокол USB (Universal Serial Bus). Для интерфейса с пользователем используется беспроводное сетевое соединение (дистанция до 50м). Конструкция робота позволяет  устанавливать на нем до 127 разнообразных датчиков и подключать их по USB протоколу. Вычислительным центром робота является переносной помехо-защищенный компьютер и микропроцессорная плата низкоуровневой обработки и контроля. Адаптивная система управления на основе нейросетевых алгоритмов позволяет работать в средах с изменяющимися параметрами. Робот снабжен внутренним источником питания на 24В, который позволяет нормально работать в течение часа. Важно заметить, что элементная база робота специально подобрана с целью обеспечить наибольшую защиту на химически опасных объектах. В роботе выделяется 3 блока с программным обеспечением: переносной компьютер, микропроцессорная плата и пульт управления. Переносной компьютер и пульт управления снабжены авторским программами, разработанными в середе MSVC++ 6.0, микропроцессорная плата низкоуровневой обработки снабжена разработанной программой на низкоуровневом языке ассемблер.

Application of mobile robots in extreme conditions of man-caused accidents

A.A. Bazvanov, M.N.Kirsanov

MPEI (Moscow, Russia), eldi@list.ru, mpei2004@yandex.ru

A mobile robot usage for current monitoring of dangerous areas and industrial buildings such as rocket mines or radioactive sarcophagus is proposed. Operative intervention of a mobile robot to hidden processes could prevent such things as corrosion and building destruction.

Man-caused accidents and disasters become practically unavoidable because of production complexification increase with the appliance of energy-intensive technologies, radioactive and toxic substances. Carrying out routine servicing and replacement of worn-out parts becomes impossible, safety requirements go down, the technological and manufacturing discipline degradation and services personnel qualification decrease leads to the irreversible fatal consequences. In such a situation, atomic and chemical industry objects become especially dangerous. Operation of worn-out parts of the equipment is a constant health hazard to services personnel and every worst-case situation could lead to an accident or catastrophe. Striking factors being appeared, the conditions become extreme not only for victims but also for rescuers who liquidate the consequences of accidents.

The degree of human participation in carrying out the works in dangerous conditions can be decreased by using remote controlled equipment. As a result, creation of robotic complexes for carrying out cautionary works for preventing or liquidation the consequences of worst-case situation become more actual.

Robotic means can be adopted for:

·       carrying out works in dangerous areas (prospecting, taking tests, earthwork, dismantling and destruction of building and industrial equipment, transportation of dangerous objects);

·       carrying out works during liquidation of consequences of worst-case situations (examination of accident sites,  dismantling and destruction of damaged buildings, manipulation with radioactive and toxic substances, struggling with fire);

  • carrying out explosion works (search, extraction, transportation and sterilization or annihilation of explosive objects and  broken ammunition).

Applications of mobile robots are limited by:

a)     local accidents on chemically dangerous objects with full or partial destruction of poisoning chemical capacitors (PCC),  with spill of PCC on surface of earth or on substrate with formation of primary and secondary cloud of PCC;

b)     local accidents (within the limits of one building) on radioactive dangerous objects while destruction of manufacturing equipment accompanied with spike of ionizing radiation to environment.  

 Remote control, manipulator and transport module are included in robot package. The control system consists of the desk control console, visual display, power supply module and the radio channel for data communications. Serial data bus is the distinctive feature of the executive system. Output commands from the desk control console go to all the components witch are plugged in. Every component receives the commands and executes it. The connection between the robot and its control console can be accomplished by means of radio channel or cable.

The proposed mobile robot is developed in MPEI (Moscow Power Engineering Institute). The robot is a three-wheeled truck with two independent drives, mobile robot corpus is made of shockproof and radiation-resistant composite materials, witch provide high reliability during operation in hostile environment. USB (Universal Serial Bus) is used as the onboard link protocol. The wireless network is used for human interface (50m link distance). 127 different sensors can be plugged to the mobile robot net. The portable fault-tolerant computer and the microprocessor board of low-level processing and control are the main parts of the computing center of the mobile robot. Adaptive control system based on the neuronet algorithms allows operating in changing surroundings. The robot is provided with the internal power source, witch allows it to operate during an hour.  It’s important to notice that the elemental base of robot is especially sorted out to provide high fault-tolerance while operating in chemically dangerous objects.  There are three modules with software in mobile robot equipment: portable computer, microprocessor board and remote control. The portable computer and the remote console are equipped with the authors programs, developed by means of MSVC++ 6.0, microprocessor board of low-level processing equipped with the program developed using low-level programming.