Автономный подводный аппарат «Скат» для решения задач поиска и обнаружения заиленных объектов

Пшихопов Вячеслав Хасанович; Суконкин Сергей Яковлевич; Нагучев Даулет Шабанович; Стракович Владимир Васильевич; Медведев Михаил Юрьевич; Гуренко Борис Викторович; Костюков Владимир Александрович; Волощенко Юрий Петрович

Лысенко Игорь Васильевич

Учреждение Российской академии наук Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации РАН.

E-mail: [email protected].

199178, г. Санкт-Петербург, 14-я линия, д. 39.

Тел.: 88123283257; факс: 88123284450.

Птушкии Анатолий Иванович E-mail: [email protected].

Соколов Борис Владимирович

E-mail: [email protected].

Lysenko Igor Vasilievich

Institution of the Russian Academy of Sciences St. Petersburg Institute for Informatics and Automation of RAS (SPIIRAS).

E-mail: [email protected].

14-th Line, 39, Saint-Petersburg, 199178, Russia.

Phone: 88123283257; fax: 88123284450.

Ptushkin Anatoly Ivanovich E-mail: [email protected].

Sokolov Boris Vladimirovich

E-mail: [email protected].

УДК 621.865.8-182.3

B.X. Пшихопов, С.Я. Суконкин, Д.Ш. Нагучев, В.В.Стракович,

М.Ю. Медведев, Б.В. Гуренко, В.А. Костюков, ЮЛ. Волощенко

АВТОНОМНЫЙ ПОДВОДНЫЙ АППАРАТ «СКАТ» ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПОИСКА И ОБНАРУЖЕНИЯ ЗАИЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

В данной работе рассматривается проект автономного подводного аппарата для задач поиска и обнаружения заиленных объектов. В качестве носителя используется подводный аппарат торпедообразной формы с одним движителем. Предлагается система , . систем управления предлагается программный комплекс моделирования движения подвод. .

Автономный подводный аппарат.

V.Kh. Pshikhopov, S.J. Sukonkin, D.S. Naguchev, V.V. Strakovich,

M.Yu. Medvedev, B.V. Gurenko, V.A. Kostjukov, J.P. Voloshchenko

AUTONOMOUS UNDERWATER VEHICLE "SKAT" FOR SEARCH AND DETECTION SILTY OBJECT TASKS

In the given work the project of an autonomous underwater vehicle for search and detection silty object tasks is considered. As the carrier the underwater vehicle torpedo-like forms with one propeller is used. The control system including a vector regulator and the nonlinear observer is offered. To check of efficiency of control systems the program for modelling of movement of underwater vehicles is used. In quality work load the profilograph is used.

An autonomous underwater vehicle

.

круг задач, в который входят экологический и климатический мониторинг, океа-

нологические исследования, обслуживание глубоководных систем и объектов, поиск подводных месторождений, охрана акваторий и др. Все эти задачи наиболее эффективно могут быть решены в классе автономных подводных аппаратов (АПА), использование которых позволяет сократить эксплуатационные расходы, снизить вероятность ошибки за счет уменьшения влияния человека-оператора на процесс управления, повысить время непрерывной работы, уменьшить массогабаритные параметры подводной техники.

Широкое применение АПА нашли в обзорно-поисковых операциях, требующих организации точных движений вдоль заданных траекторий, определяемых . ,

должна отражать характер решаемых задач и требования к их отработке, учитывать состояние внешней среды и воздействие внешних возмущений.

1. Носитель. Для создания АПА, способного выполнить поставленную задачу поиска и обнаружения, специалистами ОКБ океанологической техники РАН был предложен проект носителя, представленный на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид носителя для АПА

Сравнение его основных технических характеристик с зарубежными аналогами приведено в табл. 1.

Таблица 1

Технические характеристики АПА

Технические характери- стики Модель ЛИЛ

Оауіа | Яетив | СКАТ

1^ ,1 О 1. V ■ 1

Рабочая глубина, м <1000 <600 <1000

Диаметр, м 0,20 0,32 0,25

Длина, м 2,70 3,25 2,53

Масса, кг 70 - 80 240 100

Скорость, м/с 2,8 2,3 3

Автономность, ч 4-5 5 5

По основным техническим характеристикам предлагаемый носитель не уступает зарубежным аналогам.

2. Структура АПА. Состав п одсистем, включаемых в состав АПА, представлен на рис.2 [1, 2]. Система управления должна обеспечивать выполнение поставленной задачи, т.е. движение вдоль заданных траекторий, а так же поддерживать необходимое маневрирование АПА в среде со стационарными и нестационарными препятствиями. Движительно-рулевой комплекс осуществляет функции исполни.

информации с АПА, а также для передачи на борт необходимых сигналов и данных. Гидроакустический навигационный комплекс, совместно с бортовой навига-

ционной системой, обеспечивает точность определения координат посредством

.

АПА может оснащаться системой технического зрения (СТЗ), включающей в себя , .

АПА может входить гидроакустический маяк или система радиосвязи.

1 \

Бортовая

энергообеспечения навигационная система

р ^

Г идроакустический навигационный комплекс

Рис. 2. Структура автономного подводного аппарата

, , такие как профилограф, магнитометрические и электромагнитные датчики.

3. Система управления. Проектирование системы управления АПА предполагает построение его математической модели, адекватно отражающей нелинейность динамики движения, нестационарность параметров модели, многосвязность , .

Математическая модель ПА, с учетом известных уравнений твердого тела, в матричной форме представлена в следующем виде:

х = М-'(^ ^ Ъ),

3 = ки , (1)

У = 2(0, х) =

^2р (0, х)Л

V20 (0, х\

где X - ш-вектор внутренних координат; М - (тхш)-матрица массо-

, , -ции, присоединенные массы ПА; Ъи(X,У,3,1,К) - т-вектор управляющих сил и моментов, здесь I - вектор конструктивных параметров, К -вектор гидродинамических сил и моментов; ^ (X, У, I) - т-вектор нелинейных элементов динамики ПА,; - т-вектор измеряемых и не измеряемых внешних возмущений;

3 - т-вектор управляемых координат (углы отклонения рулей, управление тягой двигателя и т.п.); К - (тхт)-ма^эица коэффициентов управления; и - т-вектор управляющих воздействий; У - п-вектор положения и ориентации связанной систе-

мы координат относительно базовой, n < 6; Z(0, х) - n-вектор кинематических связей; Zр (0, х) - вектор линейных скоростей связанной системы координат относительно базовой; Z0 (0, х) - вектор угловых скоростей связанной системы

координат относительно базовой.

Средствами пакета численного моделирования и исследования гидродинамических характеристик NUMECA International модель (1) была доопределена зависимостями коэффициентов лобового сопротивления (рис. 3,а), подъемной силы (рис. 3,6) и момента тангажа (рис. 3,в) от угла атаки.

6

а

г

Рис. 3. Графики зависимости коэффициентов: а - лобового сопротивления от угла атаки; б - подъемной силы от угла атаки; в - момента тангажа от угла атаки; г - распределения скоростей в раоне оперения МА

Полученная математическая модель представляет собой систему нелинейных дифференциальных уравнений, элементы которых определяются компоновкой и параметрами конкретного ПА, а также структурой и характером внешних возмущений.

В основе предлагаемой системы управления лежат структурноалгоритмические решения автопилота и нелинейного наблюдателя, полученные в предыдущих работах авторов. Автопилот построен с применением подхода, представленного в [3,4,5], позволяющего учесть многосвязность и нелинейность математической модели АПА и не требующего обратных кинематических преобразований и наличия интерполяторов. Это позволяет расширить функциональные возможности аппарата и снизить погрешность отработки желаемых траекторий. Планировщик перемещений может быть реализован на базе нейросетевых технологий [1,6] и позволяет организовать перемещение АПА в априори неформализованных

15б

.

системы, а также неизмерямых внешних возмущений, действующих на АПА. Предлагается использовать нелинейные наблюдатели, описанные в работе [4, 7].

4. Исследование свойств системы управления. Для исследо вания поведения АПА был разработан программный комплекс, структура которого представлена на рис. 4.

Ш

■8-

а

ш

н

X

Модуль выбора моделируемого режима работы системы управления, задания параметров движения, формирования настроек

Основной модуль комплекса

Г

Модель системы

управления

V

г

Л Ґ Л

Модель ПА

Модель

среды

Модуль построения графиков изменения переменных

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Модуль построения трехмерной анимации движения

Рис. 4. Структура программного комплекса для моделирования движения АПА

Модуль выбора режима работы системы управления и задания параметров движения позволяют выбрать фазовые траектории движения АПА (перемещение вдоль заданной траектории с заданной скоростью, позиционирование в заданную точку и т.д.), настроить параметры моделирования и настроить соответствующие .

После определения настроек и задания целей работы базового алгоритма данные передаются в основной модуль, где выполняется цикл моделирования, в котором участвуют модель системы управления, модель АПА, модель среды. Модель системы управления включает в себя математическое описание регулятора, реализующего заданный закон управления, модель планировщика, формирующего траекторию движения в соответствии с поставленным заданием, а также модель наблюдателя. Модуль трехмерной анимации движения использует созданную заранее сцену подводной среды для наглядного представления результатов моделирования движения и поведения АПА. Пример трехмерной сцены подводной среды приведен на рис. 5.

Для определения качества предлагаемой системы управления был проведен сравнительный анализ векторного регулятора, предложенного в [3], с линейным регулятором, синтезированным методом обратных задач динамики [8,9].

Закон управления в случае векторного регулятора формируется согласно следующему выражению [3]:

Ги =-М (7Ж0 )-1((К+К2(0 + А V + Ч>„.) + + Fv, (2)

где - оценка вектора неопределенных сил и моментов;

М, Т, А, К 0, К^К^ґ), Т - матрицы параметров объекта управления и

функциональных коэффициентов настройки регулятора [3].

Результаты сравнения линейного и векторного регуляторов при высокой и низкой скорости движения АПА приведены на рис. 6 и 7.

. З.

I '

Рис. б. СКО по траектории при высокой (пунктирная линия) и низкой (стоишая линия) скорости движения (слева - при линейном, справа - векторном регуляторах)

tt

Рис. 7. СКО по скорости при высокой (пунктирная линия) и низкой (стоишая линия) скорости движения АПА (слева - линейный, справа - векторный регуляторы)

Как видно из результатов моделирования движения, линейный регулятор достаточно эффективно реализует поставленные задачи только при низких скоростях (<0,5 м/с). При увеличении скорости до 3-4 м/с линейный регулятор не может с достаточной точностью отработать ни заданную траекторию, ни задан.

При движении АПА часто подвергается воздействию внешних возмущений, , , . управления присутствует наблюдатель, который компенсирует внешние возмущения в рамках энергетических возможностей АПА.

На рис. 8-11 представлены результаты моделирования движения АПА, на

50 60 -

плитуды. Из результатов моделирования видно, что в случае отсутствия наблю-, , возмущения эффективно парируются.

а б

Рис. 8. Траектория движения АПА: а - без наблюдателя; б - с наблюдателем

100

а б

Рис. 9. СКО по траектории: а - без наблюдателя; б - с наблюдателем

Рис. 11. СКО по скорости движения: а - без наблюдателя; б - с наблюдателем

5. Спецнагрузка. В качестве спецнагрузки в с остав АПА включен профилограф «Зонд», спроектированный специалистами ОКБ «РИТМ» ЮФУ. Профилограф необходим для поиска и обнаружения заиленных объектов, находящихся под .

цилиндрическом объеме длиной 1250 мм и диаметром 200 мм. Антенны размером 400 х 180 мм устанавливаются на дне аппарата. Сравнительные характеристики профилографа «Зонд» приведены в табл. 2. Из табл. 2 следует, что проникновение под грунт на глубину до 30 м обеспечивает только профилограф «Зонд». Следует отметить также его высокую скорость сканирования, которая может составлять 2 кв. км в час.

В профилографе «Зонд» имеется привязка гидроакустических данных к системе географических координат WGS-84, а также возможность обмена данными с корабельной системой позиционирования (DGPS или ГЛОНАС). При обработке и отображении гидроакустических данных есть режим учета вертикальных и поперечных перемещений подводного аппарата. Предусмотрена возможность обмена информационными данными с гидролокатором бокового обзора или многолучевым промерным эхолотом по интерфейсу ЕШете1

Таблица 2

Сравнительные характеристики гидроакустических профилографов

Показатели Модель профилографа

«Зонд» ЕА 400БР ПГ-30 ББ-424

Способ формирования зондирующих сигналов Нелинейный (параметрический) Линейный Нелинейный (параметрический) Линейный

Рабочие глубины, м До 350 Нет данных 100 До 300

Сектор обзора, градусы 30 3,5 8 23

Наличие или отсутствие фронтального разрешения да нет нет нет

Разрешение по , 0,08 0,1 0,1 0,08

Проникновение в грунт, м Не менее 5 (до 30 м в илистом ) 0-8 25 Не менее 2 (до 20 м в илистом грунте)

Наличие или отсутствие режима классификации типа грунта по комплексному коэффициенту отражения Да Нет (только по амплитуде отраженного сигнала) Нет ( амплитуде отраженного ) Нет ( амплитуде отраженного )

Масса, кг не более 30 35 50 45

Скорость носителя До 8 узлов Нет данных Нет данных Нет данных

Профиль капала до проведения Профиль капала после

дноуглубительных работ дноуглубительных работ

Рис. 12. Эхограмма судоходного канала

На эхограммах, приведенных на рис. 12, видно, как отличается слой жидкого грунта на дне судоходного канала от более твердого слоя, лежащего ниже. Погрешность определения глубины, а также толщины того или иного слоя не превышает 5 см.

Приведенная структура АПА позволяет изменять его целевое назначение посредством использования необходимой спецнагрузки.

Заключение. В статье представлен проект автономного подводного аппарата для решения задач поиска и обнаружения заиленных объектов.

Интеграция участников этого проекта и их научно-технический потенциал позволят создать перспективный образец автономного подводного аппарата с характеристиками мирового уровня.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пшихопов В.Х., Сиротенко ММ., Гуренко Б.В. Структурная органнзацня систем автоматического управления подводными аппаратами для априори неформализованных сред // Информационно-измерительные и управляющие системы. Интеллектуальные и адаптивные роботы. - М.: Изд-во «Радиотехника». 2006. - № 1-3. - Т. 4. - C.73-79.

2. Автономные подводные роботы. Системы и технологии / Под ред. Агеева М.Д.. - М.: Наука, 2005.

3. Пшихопов В.Х. Позиционно-траекторное управление подвижными объектами. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - C. 183.

4. Пшихопов В.Х., Медведев ММ. Структурный синтез автопилотов подвижных объектов

// - -мы. - 2006. - № 1. - С.103-109.

5. Пшихопов В.Х. Аттракторы и репеллеры в конструировании систем управления под-

// . « и задачи управления». - 2006. - № 3 (58). - С. 117-123.

6. . ., . . -

управления автономным мобильным роботом с нейросетевым планировщиком перемещений // Известия ТРТУ. Тематический выпуск «Интеллектуальные САПР». - 2004.

- № 3 (38). - C. 185-190.

7. . ., . .

// . . « -ные системы и задачи управления». - 2010. - № 3(104). - С. 187-197.

8. Галиуллин А.С. Методы решения обратных задач динамики. - М.: Наука, 1986. - 224 с.

9. .. . .

- М.: Наука, 1988.

10. . ., . ., . . -

ных роботов. - М.: Наука, 2005.

11. . ., . ., . . -

// -

- 2006. - 2. - C. 13-26.

12. . ., . ., . ., . . -

// . - 2006.

- № 1. - C. 18-30.

Пшихопов Вячеслав Хасанович

Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.

E-mail: [email protected].

347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.

Тел.: 88634371694.

Медведев Михаил Юрьевич E-mail: [email protected].

Гуренко Борис Викторович

E-mail: [email protected].

Костюков Владимир Александрович

E-mail: [email protected].

Волошенко Юрий Петрович

E-mail: [email protected].

Суконкин Сергей Яковлевич

Федеральное Государственное Унитарное Предприятие Опытно-Конс^укторское Бюро Океанологической Техники Российской Академии Наук.