Почему с подводными роботами всё так сложно: как инженеры переизобретают оптику, навигацию и связь

Я пришел в подводную робототехнику из теоретической физики. Помню, как тогда осознал, до какой степени водная среда враждебна привычным нам технологиям. Под водой не работают многие инженерные решения. И на каждом уровне встречаешь ограничения, которые превращают любой робототехнический проект в цепочку непрерывных вызовов.

На больших глубинах давление воды достигает по-настоящему экстремальных значений. Уже на километре оно превышает сто атмосфер, а в самых глубоких точках океана приближается к тысяче. В инженерном смысле это означает, что каждый квадратный метр поверхности испытывает нагрузку в сотни и даже тысячи тонн.

Парадоксально, что для некоторых живых существ такие условия оказываются комфортными. Глубоководные организмы выживают под давлением в сотни атмосфер, так как в их телах нет жестких полостей с воздухом — давление снаружи и внутри почти полностью уравновешено. Подводная техника устроена иначе: внутри корпуса необходимо поддерживать привычные для электроники и людей условия. Но если оболочка дает слабину, последствия оказываются катастрофическими.

Трагедия с американским батискафом «Титан» в 2023 году наглядно показала, насколько опасно об этом забывать. Микротрещины в корпусе батискафа тогда привели к его мгновенному схлопыванию. Поражает скорость — как показала симуляция, это произошло буквально за миллисекунды. Быстрее, чем проходит нервный импульс в человеческом мозге. Пассажиры даже ничего не почувствовали.

Подводные роботы создаются не для перевозки людей, но и техникой рисковать нельзя — ее высокая стоимость и значимость миссий этого не позволяют. Для разработчиков это означает жесткие конструктивные ограничения и чрезвычайно ограниченный выбор материалов.

Если до глубины около трех километров еще можно работать с алюминием, то ниже этой отметки вариантов почти не остается: в основном используется только титан.

О конкретных российских разработках в сфере подводной робототехники я подробно расскажу в следующей статье, а здесь приведу лишь один показательный пример — аппарат «Витязь-Д».

В мае 2020 года он совершил рекордное автономное погружение в район Марианской впадины, достигнув глубины около 10 км. Для этого аппарата наш Институт проблем морских технологий разработал систему гидроакустической связи и навигации. Без нее автономное погружение на такие глубины превращается в движение вслепую: невозможно точно понять, где именно находится аппарат и достигает ли он заданной точки.

В воде электромагнитные волны радиочастотного и микроволнового диапазонов быстро затухают. Хорошо знакомые нам высокочастотные сотовые передатчики, Wi-Fi или Bluetooth-системы бесполезны, так как теряют работоспособность почти сразу после погружения.

В таких условиях на помощь приходит акустика — звуковые волны в воде распространяются даже лучше, чем в воздухе. Но здесь нас ждет другая проблема: чем выше частота волны, тем быстрее она затухает. Этот физический закон вынуждает нас работать на очень низких частотах, от десятков герц до сотен килогерц. И если в этом диапазоне нашим системам удается передать 50 килобит в секунду, это считается отличным результатом. «На суше» такой показатель вряд ли посчитали бы достижением: сравнимо со скоростью dial-up модемов из девяностых.

В подводной робототехнике также пытаются использовать оптические системы связи — лазеры и светодиоды. Но если на воздухе они дают гигабитные скорости, то под водой работают на расстоянии не более пары десятков метров в идеально прозрачной воде. Это значит, что робот должен подплыть почти вплотную к приёмнику, передать данные и отплыть. Как космическая стыковка, только с поправкой на подводные течения и фауну, которая норовит вмешаться в аппаратный диалог.

Инженеры, привыкшие к безмолвному космосу, вероятно, впечатлятся шумом под водой. Океан шумит на всех частотах. И на килогерцовых, кажется, громче всего.

Гидроакустики хорошо знакомы с раком-щелкуном. У этого крохотного членистоногого одна клешня значительно больше другой, и когда он ей щелкает, происходит удивительное физическое явление: скорость смыкания створок так велика, что в точке удара вода не успевает разойтись.

Давление и температура подскакивают настолько резко, что образуется пузырек — по сути, микроскопический сгусток плазмы. При схлопывании такого пузырька возникает резкий акустический импульс экстремальной мощности: его пиковый уровень в воде может достигать двухсот децибел.

По пиковому акустическому давлению этот импульс сопоставим со взлетом реактивного самолета.

Своей активностью рачки создают мощные широкополосные акустические импульсы, которые на короткое время «забивают» весь рабочий спектр сигнала. Проблема усугубляется тем, что эти рачки живут колониями: тысячи особей щелкают асинхронно, формируя почти непрерывный биологический шум, на фоне которого гидроакустическая связь становится особенно сложной.

Но под водой «голосит» не один рак-щелкун. На Дальнем Востоке также активно используют звук для коммуникации и эхолокации косатки и кашалоты, горбатые киты и дельфины. И все они создают акустический фон в диапазонах, перекрывающихся с рабочими частотами подводных систем.

Кстати, даже в относительно тихой воде связь может сбоить. Сигнал редко идет напрямую: он отражается и от водной поверхности, и ото дна, особенно на мелководье. Приёмник получает несколько копий одного и того же сигнала с разными задержками, и иногда отраженный сигнал может прийти почти одновременно с прямым или даже раньше него — из-за особенностей распространения звука в водных средах. Это дополнительно осложняет его корректное обнаружение и интерпретацию.

Со спутниковой связью под водой те же проблемы, что и с сотовой — это тоже радиоволна, которая быстро затухает. Если в космосе сигналы ГЛОНАСС и GPS уверенно «бьют» на тысячи километров, то в океане они благополучно «тонут» уже на первых метрах глубины. В результате подводный аппарат оказывается отрезан от глобальных навигационных систем.

Но как эффективно выполнять миссию, если ты глух, слеп и в абсолютном одиночестве? Разработчикам подводных роботов приходится искать альтернативные решения.

За годы работы мы освоили несколько стратегий, и выбор между ними часто определяется одним вопросом: можно ли демаскировать себя звуком? Ответ зависит от характера миссии. Для коммерческих операций и научных исследований можно, для военных задач — категорически нет.

Если миссия коммерческая или научная и сопровождается надводным судном, чаще всего используют гидроакустические навигационные системы. В классическом варианте на морском дне устанавливают акустические маяки с точно известными координатами. Подводный аппарат обменивается с ними сигналами, измеряя время прохождения звука. Зная скорость звука в воде, система вычисляет расстояние до каждого маяка.

По расстояниям до трех-четырех таких точек можно достаточно точно определить свое положение. Похожий принцип используется и в спутниковой навигации: координаты определяются по сигналам от нескольких источников с известным положением. Точность такого метода может варьироваться от метров до десятков метров, зависит от геометрии системы и качества оборудования. Это называется навигация на длинной базе или коротко: ДБ-навигация.

Можно пойти и другим путем — разместить несколько приёмников на судне сопровождения на расстоянии нескольких метров друг от друга, а источник сигнала установить на самом аппарате. По разности времени прихода сигнала на приёмники определяется направление на аппарат, а затем, в ходе обмена сигналами, и расстояние до него. Так реализуется навигация на короткой базе (КБ-навигация).

Наконец, все приёмники можно объединить в одно компактное устройство, ультракороткобазовую систему (УКБ-навигация). В этом случае направление на аппарат определяется по минимальным различиям времени и фазы сигнала, измеряемым с точностью до наносекунд. Это существенно удобнее в эксплуатации, хоть и не настолько точно.

В этом случае робот ориентируется на свои датчики: сверхточные гироскопы и акселерометры фиксируют малейшие повороты аппарата и его ускорения.

Рабочее решение? Вполне. Инерциальная навигация часто используется в гражданской робототехнике в сочетании с другими методами. В военных задачах на нее приходится опираться как на основной или единственный способ навигации: инерциальные системы позволяют длительное время двигаться под водой, однако высокая точность при этом сохраняется лишь ограниченное время и требует периодической коррекции. Чтобы сдерживать накопление ошибки, используют сверхточные датчики. Но удовольствие не из дешевых: такие системы стоят сотни тысяч долларов и находятся под строгим регуляторным контролем.

Сейчас ведутся разработки принципиально новых инерциальных датчиков на основе квантовых физических принципов. В 2025 году команда Университета Стратклайда протестировала в море навигационную систему с холодно-атомным квантовым акселерометром. Такие сенсоры потенциально смогут обеспечить в разы более высокую точность по сравнению с классическими инерциальными системами. Это важный шаг к будущему применению подобных технологий на автономных морских и подводных платформах.

Если есть подробная карта дна, можно использовать навигацию по рельефу — метод, над которым работал мой научный руководитель Александр Щербатюк. В этом случае робот непрерывно сканирует дно гидролокатором и сравнивает полученную картину с эталонной картой. Нюанс в том, что карты часто неточные, дно меняется из-за течений и осадков, а гидролокатор дает зашумленную картинку. Чтобы компенсировать эти эффекты, требуются сложные алгоритмы сопоставления, и даже они не всегда справляются.

Один из ключевых навигационных трендов в подводной робототехнике — одометрия по DVL (Doppler Velocity Log), то есть с использованием доплеровского лага. Подход заключается в том, что робот измеряет свою реальную скорость относительно рельефа или водной массы. Делается это так: аппарат излучает акустические сигналы под углом и принимает отражение, после чего по доплеровскому сдвигу частоты вычисляет скорость перемещения — так же, как радар измеряет скорость автомобиля.

DVL — относительно точный метод, и особенно надежный, когда доступна одометрия по дну. Если глубина слишком велика, система переходит в режим измерения скорости относительно воды, что менее точно, но всё равно на порядок надежнее, чем альтернативный способ одометрии — считать обороты винтов.

Однако минусы тоже есть: доплеровские системы сравнительно дороги, энергоемки и чувствительны к условиям отражения сигнала.

Все эти нюансы слишком важны, чтобы полагаться на один-единственный метод, поэтому на практике разработчики стараются комбинировать навигационные подходы. В идеале это может выглядеть так: аппарат стартует с поверхности и фиксирует точные GPS-координаты. Затем уходит под воду, переходит на инерциальную навигацию и одометрию по DVL. Если инфраструктура позволяет, то в ходе миссии его положение периодически уточняется по акустическим маякам.

Если условия допускают периодические всплытия, это облегчает задачу: можно подняться, снова привязаться к GPS и сбросить накопившуюся навигационную ошибку.

Вода в восемьсот раз плотнее воздуха, что кардинально меняет всю физику движения. Это похоже на попытки маневрировать в густом сиропе: сопротивление среды растет пропорционально квадрату скорости, поэтому каждый дополнительный метр в секунду требует колоссальных энергозатрат.

Недавно немецкая компания EvoLogics предложила нестандартный подход к конструкции подводных аппаратов, разработав корпус с бионической формой, вдохновленной пингвинами — одними из самых умелых пловцов в природе. Обтекаемый корпус, минимальное лобовое сопротивление, оптимизированная гидродинамика — всё как у истребителя, только под водой.

Quadroin способен разгоняться до впечатляющих пяти метров в секунду, что пока рекорд для автономных роботов на аккумуляторах.

Казалось бы, автономные подводные роботы — идеальная область для применения нейросетей и машинного обучения. Робот с ИИ может сам принимать решения и выбирать оптимальный курс в обход маршрута горбатых китов. Однако на практике ничего этого нет — искусственный интеллект практически не проник в подводную робототехнику, и одна из причин — огромная стоимость ошибки.

Классические алгоритмы управления работают предсказуемо, их можно протестировать, математически доказать их надежность. С нейросетями так не получится — они всё еще остаются «черным ящиком» даже для своих создателей.

Вторая проблема — катастрофическая нехватка данных для обучения. Современные нейросети требуют миллионы примеров. Беспилотный автомобиль за день тестов собирает терабайты видео с дорог. А теперь сравним: подводный робот за год может сделать всего несколько десятков погружений.

Третье ограничение — энергетическое. Даже инференс современных нейросетей требует заметной вычислительной мощности и десятков ватт потребляемой энергии. Для подводного робота на аккумуляторах это непозволительная роскошь. Вся доступная энергия уходит на движение, датчики и базовую электронику. На автономное «думание» для нейросети энергии просто не остается.

Сейчас в научно-исследовательских лабораториях по всему миру активно экспериментируют с машинным обучением для высокоуровневых задач — распознавания объектов, интерпретации данных и адаптации миссий. При этом непосредственное управление движением обычно остается за классическими алгоритмами. Но даже при таком гибридном подходе от лабораторных бассейнов до реального водоема технологии предстоит пройти еще большой путь.

Несмотря на все вышеописанные сложности, подводная робототехника развивается, и я вижу несколько четких трендов, которые изменят отрасль в ближайшие годы.

Главный тренд — повсеместная замена телеуправляемых аппаратов на автономные везде, где не требуется тонкая манипуляторная работа.

Экономика здесь весьма убедительна. Обследовать 100 км подводного трубопровода телеуправляемым аппаратом — всё равно что неделями эксплуатировать специализированное судно с системой динамического позиционирования. А даже один день аренды такого судна — ощутимые затраты для заказчика работ.

К примеру, компания Fugro уже обслуживает морские ветряные фермы полностью дистанционно. В порту базируется безэкипажный катер с телеуправляемым аппаратом на борту, а оператор сидит в теплом офисе на берегу и через спутниковую связь управляет катером. Довел до ветряка, спустил робота, провел инспекцию, а затем вернул аппарат и платформу обратно на базу — без участия судна обеспечения и выхода людей в море.

Это хороший пример синергии подводных и космических технологий: такая тонкая координация была бы попросту невозможна без устойчивой широкополосной спутниковой связи. Подводная робототехника здесь опирается на космическую инфраструктуру, добавляя новую глубину в наши рассуждения о том, где сегодня инженерные задачи сложнее — на морском дне или на орбите.

Этот опыт показывает: решения, рождающиеся на стыке инженерных миров, часто оказываются значительно масштабнее исходной задачи.

Третий тренд — резидентные системы, когда робот постоянно находится на глубине, подзаряжаясь от подводной док-станции. Такое решение уже предлагает компания SAAB.

Перспективы у этих систем большие, в том числе в сложных условиях зимней навигации на скованном льдами севере России. Скажем, на газовом месторождении в Арктике устанавливается подводная станция. К ней подведен кабель питания и связи с берега, а внутри — автономный робот. Ледяной панцирь, какой бы толщины он ни был, уже не может блокировать судно сопровождения для работы АНПА или ТНПА.

Другое нишевое направление — интервенционные автономные аппараты. Проще говоря, подводные роботы, которые умеют «работать руками» — самостоятельно управлять манипуляторами, без удаленного контроля оператора с джойстиком.

Как и резидентные системы, пока это по большей части исследовательская область: задачи здесь крайне сложные, а требования к навигации и управлению экстремальные. Но первые прототипы уже существуют, в том числе в России.

Подробнее об этом я расскажу в другой раз, а здесь отмечу главное. Разработки в сфере интервенционных АНПА, пожалуй, нагляднее всего отражают ключевую глобальную тенденцию: автономные аппараты постепенно выходят за рамки высокотехнологичных инструментов и приближаются к роботам в полном смысле этого слова — «разумным машинам», таким, как их представляли себе писатели-фантасты столетие тому назад.