КОНЦЕПЦИЯ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ТЕЛЕУПРАВЛЯЕМОГО НЕОБИТАЕМОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА С КОМБИНИРОВАННЫМИ СРЕДСТВАМИ ДВИЖЕНИЯ ДЛЯ БЕЗДОКОВОГО ОСВИДЕТЕЛЬСТВОВАНИЯ КОРПУСОВ СУДОВ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 3

УДК 62-529 DOI: 10.17213/1560-3644-2020-3-55-63

КОНЦЕПЦИЯ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ТЕЛЕУПРАВЛЯЕМОГО НЕОБИТАЕМОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА

С КОМБИНИРОВАННЫМИ СРЕДСТВАМИ ДВИЖЕНИЯ ДЛЯ БЕЗДОКОВОГО ОСВИДЕТЕЛЬСТВОВАНИЯ КОРПУСОВ СУДОВ

© 2020 г. О.И. Гладкова, В.В. Вельтищев, С.А. Егоров

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, г. Москва, Россия

THE CONCEPT OF AN INFORMATION CONTROL SYSTEM OF A REMOTELY OPERATED VEHICLE WITH COMBINED PROPULSION SYSTEM FOR VESSELS INSPECTION WITHOUT DRY-DOCKING

O.I. Gladkova, V.V. Veltischev, S.A. Egorov

Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia

Гладкова Ольга Игоревна - мл. науч. сотр., Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, г. Москва, Россия. E-mail: oglakova@bmstu.ru

Вельтищев Вадим Викторович - д-р техн. наук, зав. кафедрой «Подводные роботы и аппараты», Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, г. Москва, Россия. E-mail: vvv@bmstu.ru

Егоров Сергей Александрович - канд. техн. наук, зав. лаб., Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, г. Москва, Россия. E-mail: sa_egorov@mail.ru

Gladkova Olga I. - Junior Researcher, Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia. E-mail: oglako-va@bmstu.ru

Veltisсhev Vadim V. - Doctor of Technical Sciences, Head of Department «Underwater Robotics», Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia. E-mail: vvv@bmstu.ru

Egorov Sergey A. - Candidate of Technical Sciences, Head of Laboratory, Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia. E-mail: sa_egorov@mail.ru

В соответствии с требованиями правил Российского морского регистра судоходства периодический контроль технического состояния элементов корпусов судов является обязательной процедурой. Его рационально проводить с использованием телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов (ТНПА) с комбинированными средствами движения, без постановки судна в сухой док. При этом требуется позиционирование измерителей дефектов относительно начальной координаты выбранной области обследуемой поверхности с погрешностью не более ±0,01 м. Такая задача приводит к особенностям в построении информационно-управляющей системы ТНПА нового класса. В работе показано, что достижение требуемой точности возможно благодаря использованию одометрического счисления пути при выполнении условия определения угловой ориентации аппарата с минимальными погрешностями. Авторами предложен алгоритм определения параметров угловой ориентации аппарата по показаниям триады акселерометров и триады датчиков угловых скоростей. В работе представлен алгоритм комплексной обработки информации с указанных измерителей и приведены результаты моделирования работы информационно-управляющей системы.

Ключевые слова: телеуправляемый необитаемый подводный аппарат; бездоковое освидетельствование корпуса судна; информационно-управляющая система; одометрия; комплексирование.

Periodic monitoring of the technical condition of ship hull elements is a mandatory operation according to the rules of the Russian Maritime Register of Shipping. From the point of view of spending time and money, it is rational to carry out these works using remotely operated vehicles (ROVs) with combined propulsion systems without dry-docking. A defectoscopy of the hull structure requires positioning of the measuring instruments relative to the initial coordinate of the selected area of the surface with an error no more than plus or minus 0,01 m. This problem is leads to peculiarities in the development of the information control system of a new class ROVs. It is shown that the required accuracy can be achieved by using odometric dead reckoning with the condition

ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 3

that estimation of the angular orientation of the vehicle has minimal error. The authors proposed an algorithm for determining the parameters of the angular orientation of the vehicle with data from the triad of accelerome-ters and the triad of angular velocity sensors. An algorithm for sensor fusion was proposed and results of information-control system modeling are shown in this paper.

Keywords: remotely operated vehicle; ship hull inspection without dry-docking; information control system; odometric dead reckoning; sensor fusion.

Введение

Необходимость проведения периодического контроля технического состояния морских и речных судов продиктована наличием печальной статистики по ежегодному количеству затонувших кораблей вследствие ослабления конструкций из-за коррозии, плохого качества сварки и неудовлетворительного мониторинга их состояния. Применение телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов (ТНПА) является одним из наиболее целесообразных решений задач освидетельствования с точки зрения уменьшения рисков для жизни и здоровья водолазов, затрат времени и финансов (как при постановке судна в сухой док), а также повышения качества результатов диагностирования. Анализ нормативных документов по вопросам методики освидетельствования и параметрам дефектоскопии [1 - 3] позволил выявить исходные требования к режимам работы робототехнических средств. Однако рассмотрение существующих прототипов, позиционирующихся как аппараты для освидетельствования подводных конструкций, показало, что многие из них способны выполнить лишь ограниченный спектр всего необходимого объема операций [4]. Применение ТНПА с движи-тельным комплексом, включающим в свой состав контактные движители (колесные), наряду с традиционными для подводной робототехники гребными винтами, позволяет обеспечить наличие гарантированного контакта или фиксированного зазора между используемыми датчиками дефектоскопии и поверхностью обследования, а также потенциально решить задачу высокоточного позиционирования. Целью данной работы является рассмотрение особенностей построения информационно-управляющей системы (ИУС) телеуправляемого необитаемого подводного аппарата с комбинированными средствами движения, предназначенного для контроля состояния корпуса судна на плаву.

Исходные требования к ТНПА

Анализ отраслевых международных и государственных стандартов, правил эксплуати-

рующих и контролирующих организаций, среди которых стандарты морского и речного судоходства, подводных трубопроводных систем [1 - 3], показал, что существенной особенностью проведения указанного типа работ является необходимость обеспечения аппаратом высокоточных позиционирования и навигационной привязки обнаруженных повреждений к системе координат обследуемого объекта. Требуемая точность обусловлена применяемыми методами диагностики и параметрами используемых измерителей дефектов. На сегодняшний день в условиях водной среды для выявления скрытых или недоступных при визуальном осмотре несплошностей наиболее широкое применение имеют акустические методы неразрушающего контроля - ультразвуковой метод и датчики на основе электро-магнитоакустических преобразователей (ЭМАП) [5, 6]. Одни из самых жестких требований приведены в стандарте [7]: измеритель текущего положения средства ультразвукового контроля относительно сварного шва должен обеспечивать определение расстояния (в том числе и по поверхности с отличной от нуля кривизной) и фиксацию расположения дефектов относительно начального положения сканирования с точностью не хуже ± 0,01 м. Траектория движения подводного аппарата, на котором размещаются датчики дефектоскопии, зависит от способа ультразвукового сканирования. Она представляет собой галсы с шириной шагов, определяемых конструктивными размерами, количеством и расположением ЭМАП, а также толщиной контролируемого сварного соединения. При этом единственным ограничением скорости перемещения датчиков является скорость обработки вычислительным модулем информации от преобразователей.

В результате, движения робототехническо-го средства в процессе обследования корпуса судна на плаву могут быть сведены к последовательности из двух этапов: полной дефектации корпуса судна - движению аппарата горизонтальными или вертикальными галсами с захватом датчиками дефектоскопии максимально возможной площади поверхности для выявления

ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIY REGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 3

участков, требующих более детального обследования, и частичной дефектации - выходом аппарата в заданную начальную точку области и обследованием этого участка «микрогалсами» с погрешностью позиционирования и навигационной привязки измерений к текущему местоположению технического средства не более 0,01 м. Такая задача на текущий момент является новой для подводной робототехники.

Построение информационно-управляющей системы

Приведенные выше требования к движению аппарата в свою очередь определяют требования к структуре и составу компонентов информационно-управляющей системы. В процессе дефектоскопии ТНПА, являющийся носителем измерительного оборудования, должен решать задачу локальной навигации, т.е. определения своего местоположения относительно обследуемого объекта. Поэтому в настоящей работе термин «навигация» будет пониматься в узком смысле как решение задачи позиционирования аппарата в системе координат (СК) судна.

Для выбора состава информационно-измерительного комплекса аппарата были проанализированы существующие методы подводной локальной навигации. Сравнение позиционных методов, методов счисления пути и обзорно-сравнительных методов показало, что наиболее близкими к достижению требуемой сантиметровой точности привязки выявленных дефектов являются одометрическая и гидроакустическая навигационные системы [8], при этом предлагается поэтапная схема организации измерений: сплошной осмотр с точностью навигационной привязки порядка 0,1 м за счет применения гидроакустической навигационной системы, после выявления области, требующей детальной дефектоскопии, производится вывод аппарата в её условную начальную точку с окрестностью, соответствующей погрешности навигационной системы предыдущего этапа, но уже по данным системы счисления пути на базе одометров.

В рамках второго этапа подразумевается, что для определения координат аппарата в трехмерной декартовой системе координат судна необходимы как данные о величине пройденного пути, так и данные об угловой ориентации ТНПА относительно корабля. Введем следующие системы координат (рис. 1) и параметры ориентации:

ОкХгУ^г - неподвижная географическая система координат, начало которой совпадает с началом системы координат обследуемого объекта (корабля), ось Ок Хг направлена на север по касательной к меридиану, Ок Хг - по касательной к параллели на восток, Ок^г - вдоль вертикали места;

ОкХкУкЯк - система координат обследуемого судна, оси которой совпадают с продольной, вертикальной и поперечной осями судна соответственно;

Оху2 - связанная с ТНПА система координат, оси которой совпадают с главными строительными осями аппарата (продольной, вертикальной и поперечной, соответственно).

Yk

90° а = (- 90° а = 0°

0°)

Zk

;а = (0°, 90°)

z

а = 90°

Рис. 1. Системы координат и параметры угловой ориентации судна и ТНПА / Fig. 1. Coordinate systems and angular orientation parameters of vessel and ROV

Для решения поставленной задачи применение традиционных для подводной техники углов ориентации Эйлера - Крылова нецелесообразно из-за отсутствия необходимости определения географических координат ТНПА и угла курса. В данной работе для перепроецирования линейных перемещений аппарата по данным системы счисления пути в координаты Ok XkYkZk предлагается ввести следующие углы:

Ф - курсовой угол (в соответствии с традиционными обозначениями, принятыми для наземных транспортных средств) - угол между продольной осью аппарата Ox и её проекцией на плоскость OkXkZk, за положительное направление которого принимается поворот по часовой стрелке;

б

а

а =

в

г

ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 3

а - угол наклона обследуемой поверхности (корпуса судна) к вертикальной плоскости Ок ХкУк, а е[-90°,90°];

Р - угол кривизны судна в плоскости, параллельной ОкХк2к, в е[-90°,90°].

Углы курса Фк, дифферента $к и крена ук, которые определяются измерительным комплексом самого судна, необходимы для оценки влияния угловой скорости вращения Земли на показания измерителей ТНПА.

Таким образом, решение задачи обеспечения высокоточного позиционирования ТНПА на корпусе судна в процессе дефектоскопии напрямую зависит от измерителей продольного перемещения аппарата, указанных угловых координат и от алгоритмов обработки информации с предложенных датчиков. Для выработки рекомендаций по выбору информационно-измерительного комплекса ТНПА и проверки алгоритмов информационно-управляющей системы составим их математические модели.

Математическая модель оценки линейных перемещений ТНПА по показаниям одометров

Модель системы счисления пути на базе одометров в соответствии с [9] может быть получена из идеализированной модели датчика, связанного с продольной осью ТНПА и измеряющего дискретным образом пройденный путь. При этом вводятся допущения: движение одометров аппарата происходит без проскальзывания; колеса аппарата (в том числе и мерные) постоянно находятся в сцеплении с поверхностью; отсутствует снос аппарата в поперечном направлении.

Первичной измерительной информацией служат целые числа N счетчика парциальных углов поворота Аа мерного колеса за интервал времени от ¿о до и (считаем, что в начальный момент времени N0 = 0). Величина парциального угла мерного колеса определяется как

Аа = 2п / 2п, где п - разрядность энкодера. Оценка пройденного пути по показаниям одометров за каждый I -й такт времени определяется выражением:

где Л0 - действительный радиус мерного колеса; Ni - количество отсчетов энкодера за время ; к = Дизм / Д - погрешность масштабного коэффициента, возникающая из-за неточного определения радиуса одометра Дизм; А£случ - случайная

погрешность, связанная с дискретностью показаний одометра: неподвижная точка колеса, контактирующая с дорогой, случайным образом может лежать на дуге парциального угла поворота колеса Аа. Для этого параметра можно использовать модель случайной величины, равномерно распределенной на отрезке [0, АаД0 ].

При любом времени осреднения данных с одометров величина максимально возможной случайной составляющей погрешности А£случ

пройденного за время I пути будет соответствовать:

^случ - J

2nR 0

dt.

(2)

Как видно из (1) и (2), на измерение пройденного пути влияют погрешность определения действительного радиуса колеса; разрядность энкодера. В результате для измерения пройденного пути за время I будем использовать выражение:

SH3M (t) - (1 + *)|'^* + ^ t

где N - число отсчетов энкодера, которое в начале движения считаем равным 0, и не имеет ограничение на переполнение. Тогда действительный путь Sо ), пройденный ТНПА за интервал времени [о, ti ]:

ад) -

2kRq Nt 2n

Максимальное значение суммарной погрешности оценки пройденного пути 5о :

AS - kS0 + (1 + k)

2nRo

t - kS0 + AS;

случ •

(3)

S (t,) - (1+k)

2nR0

(N, -N_i) + AS,

случ

(1)

Так, для колеса радиуса До = 0,08 м при

погрешности измерения к = 10-6 (соответствует погрешности измерителя - штангенциркуля 1-го

0

ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 3

класса точности) и разрядности энкодера п = 16 при действительной скорости движения ТНПА Ух = 0,1 м/с расстояние = 100 м будет пройдено за t = 1000 с, суммарная погрешность

пройденного пути Д£ в соответствии с (3) составит 0,009 м. Однако итоговая точность определения координат ТНПА на корпусе судна будет зависеть от измерителей угловой ориентации аппарата и корабля.

Определение параметров угловой ориентации ТНПА в пространстве и на корпусе судна

Для дефектоскопии корпуса судна применение традиционных датчиков угловой ориентации подводного аппарата весьма ограничено. В связи с этим предлагается новый подход к определению параметров угловой ориентации ТНПА в пространстве и на корпусе судна по показаниям акселерометров и датчиков угловых скоростей.

Три акселерометра, оси чувствительности которых параллельны главным осям ТНПА, делают возможным определение угловой ориентации аппарата по двум степеням свободы (ф и а) за счет определения проекций вектора удельной силы тяжести £ на оси связанной с ТНПА системы координат:

т

[ gxgygz ] = A • G\g\ .

(4)

Здесь матрица направляющих косинусов О и матрица перехода от системы координат корабля к системе координат аппарата А :

G =

- sin5K - cos5K cos yk cos 5К sin yk

(5)

A =

cos ф - cosasin9 - sinasin9

0 - sin a cos а

- sin ф - cosаcosф - slnacosф

. (6)

ax = - g cos asi^, ay =- g sin a, az = - g cos acosф.

(7)

На основе второго выражения системы (7) по показаниям акселерометра ау на аппарате в

любой момент времени может быть автономно определен угол наклона обследуемой поверхности а (рис. 1 г). Особым случаем является движение аппарата при углах а = ±90°, так как при этом по показаниям триады акселерометров невозможно определить курсовой угол. Также из выражений (7) по показаниям акселерометров ах, а2 с учётом анализа квадрантов значений данных тригонометрических функций определяется курсовой угол:

ф = 90°, ax > 0, az = 0; ф = arctan

a

V az У

, ax > 0, az > 0;

ф = 180° - arctan

a

v z I У

, ax > 0, az < 0;

ax

(8)

VI zl У

ф = -180° - arctan

ф = -90°, ax < 0, az = 0; ф = - arctan

, ax < 0, az < 0;

a

V z У

, ax < 0, az > 0.

В общем случае углы дифференты и крена судна должны передаваться в информационно-измерительный комплекс аппарата. Для определения курсового угла аппарата и угла наклона корпуса к вертикали места при небольшой качке судна или её отсутствии проекции кажущегося ускорения, измеряемые акселерометрами, с учетом (4) - (6) примут вид:

Очевидным достоинством данного алгоритма является отсутствие необходимости интегрирования показаний измерителей. Кроме того, дополнительно не требуется введение начального значения курсового угла ф0, погрешность которого влияет на итоговый результат.

Определение угловой ориентации аппарата по показаниям датчиков угловой скорости (ДУС), оси чувствительности которых параллельны осям связанной с ТНПА системы координат, производится путем интегрирования их показаний, что при наличии погрешностей в их измерениях приведет к росту погрешностей в определении итоговых координат с течением времени. Стремление использовать в составе информационно-измерительного комплекса аппарата ДУС высокого класса точности для устранения подобных ошибок приводит к тому, что помимо скорости вращения аппарата в показаниях

ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 3

датчиков будут присутствовать составляющие проекции угловой скорости вращения Земли О на оси неподвижной географической системы координат, определяемые в зависимости от географической широты фш матрицей ОГ:

Qr = [Q cos фш Q sinфш Of

(9)

Оценим составляющие проекции угловой скорости вращения Земли в показаниях датчиков угловых скоростей с осями чувствительности, параллельными главным строительным осям ТНПА:

wv

Q

Q

Q

= A • B Q

г •

(10)

Здесь матрица направляющих косинусов А определяется в соответствии с (6). Матрица В преобразований от трехгранника ОкХгУг^г к ОкХкУ^к (для удобства записи введены обозначения тригонометрических функций вт(х) = ях,

ео8(х) = сх) [10]:

где угол курса с учетом кривизны поверхности

Ф

К

Ф К ' = Ф К + ß •

á " cosß 0 -sinß Ш X

ß = 0 1 0 • AT Ш y

-sinß 0 -cosß Ш z

В =

сФ К [с\ s\

-Сф К' с&к cY К + sФ К ' sY К cY К сф к ' s3k sy К + К ' cY К -с^к sY К

-яФК 'с^

К' s&K cY К + сФ К ' sY К - К ' sY К + сФ К ' cY К

(12)

Таким образом, в соответствии с (5), (9) -(12), можно компенсировать угловую скорость вращения Земли в показаниях ДУС. Угловые координаты аппарата могут быть получены путём интегрирования по показаниям датчиков угловых скоростей сох, <%, coz в соответствии с

(13)

Алгоритмы обработки данных с датчиков угловой скорости и акселерометров

Возможность комплексной обработки информации с указанных измерителей потенциально приведет к сохранению преимуществ каждой из схем обработки, повышению точности и улучшению динамических характеристик системы измерения угловой ориентации ТНПА. Так, оценки курсового угла ф и угла наклона обследуемой поверх, (11) ности а могут быть получены с использованием принципа комплексирования (рис. 2).

T

факс

Рис. 2. Схема определения параметров угловой ориентации ТНПА / Fig. 2. The scheme for determining the parameters of the angular orientation of ROV

ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 3

тт д д д Д

На рисунке отмечены: ш£, шу, ш£, а£,

а^ - показания с ДУС и акселерометров с учетом погрешностей измерителей; фдУС, адуС ,

Рдус ~~ угловые скорости, полученные в соответствии с (13); факс, аакс - угловые координаты, вычисленные по показаниям акселерометров; ф 0, а 0, в 0 - значения углов ориентации в точке выставки (начала движения) аппарата, блок «анализ а х, а 2 : агС;ап» соответствует уравнениям (8), «блок оценки О» - системе (10). Для оценки курсового угла аппарата и угла наклона поверхности к вертикали места применяются алгоритмы комплексирования, на выходе которых получаем оценки курсового угла фк, угла наклона корпуса судна к вертикали места ак, а также оценки погрешностей датчиков угловых скоростей АфдУСи АадУС. Комплексирование

данных с датчиков угловой скорости (с осью чувствительности вдоль оси Оу связанной с ТНПА системы координат) и акселерометров, расположенных в основной плоскости аппарата, рассмотрим на примере курсового угла при нулевых углах а, Р (рис. 3). Аналогичным образом строится система оценки угла ак и погрешности

Дйдус•

Для датчиков угловой скорости модели измерителей включают следующие погрешности: смещение нуля - Дюо, дрейф нуля - Дюф, погрешность масштабного коэффициента - 8кд.

Модель измерений акселерометров содержит: смещение нуля от запуска к запуску - Дао, флюк-туационные погрешности - Даф, погрешность масштабного коэффициента - Ъка. В общем случае на показания акселерометра с осью чувствительности вдоль продольной оси аппарата будет влиять линейное ускорение Ух, а в показаниях ДУС учитываются составляющие от угловой скорости вращения Земли О у .

Анализ погрешностей акселерометров и ДУС показывает, что в качестве основных для построения алгоритма комплексирования целесообразно принять смещение нуля ДУС и флюк-туационную погрешность в показаниях акселерометров. На рис. 3 в блоке «комплексирование» показана реализация синтезированного алгоритма наблюдающего устройства [11]:

1фк =-Афдус +фдус +^(факс -фк), I ЛфдуС=^2(факс-фк).

На выходе наблюдающего устройства получаем оценку курсового угла фк и оценку смещения нуля ДУС АфдУС, используемую для организации работы системы по показаниям датчиков угловой скорости Фдус . Выбор параметров К и К2 производится в соответствии с обеспечением условия инвариантности алгоритма комплексирования.

Рис. 3. Комплексирование показаний ДУС и акселерометров для оценки курсового угла / Fig. 3. Sensor fusion for heading angle estimation

ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 3

Результаты моделирования

Проверка корректности работы предложенных алгоритмов и исследование результирующих погрешностей определения координат ТНПА на поверхности произвольной кривизны в процессе движения была произведена с помощью пакета моделирования Simulink MatLab. При моделировании системы оценки угловой ориентации ТНПА были введены следующие допущения: углы наклона обследуемой поверхности к вертикали места в каждой точке а е (0°,90°) , блок нелинейного преобразования

ф = агс1ап(ах / а2 ) рассматривается для значений ускорений ах > 0 , ах > 0 , ускорения аппарата вдоль осей Оу и Ох Ух = Ух = 0. Для модели одометра использовались характеристики, указанные в примере, при времени выдачи данных £ = 0,1 с. Модели ДУС и акселерометров включали характеристики измерителей, представленных на сегодняшний день на рынке:

Л<в0 = 1,7-10~6 °/с, Дйф = 2-10"13 °/с, 5кД = 0,03%,

Да0 = 10~4g, Даф = 7,9-10"3, 5ка = 0,02% . В

качестве тестовой траектории для оценки погрешностей определения координат был выбран галс с выделенными участками движения, описанными в табл. 1.

Таблица 1 / Table 1 Параметры движения ТНПА на тестовой траектории / Parameters of ROV's movements on test trajectory

4-3

Участок Ф, ° a, ° ß, ° Vx, м/с ф, ° / с t, с

1 0 0 -90.90 0,1 0 0.100

2 0...90 0 90 0 9 100.110

3 90 0.20 90 0,1 0 110.120

В результате была подтверждена корректность работы алгоритмов оценки угловой ориентации аппарата во всех указанных диапазонах углов. Полученные погрешности оценок координат аппарата в СК судна находится в пределах 0,05 м. Данное значение отличается от требуемого значения в ± 0,01 м, однако наличие сопоставимого порядка величин позволяет сделать предположение о том, что при выборе измерителей с другими параметрами, достижение указанной точности потенциально возможно. Вопросы выбора характеристик необходимых измерителей будут рассмотрены в рамках наших дальнейших работ.

Заключение

Сравнение способов измерения координат ТНПА при осуществлении детальной дефектоскопии подводных конструкций показало, что достижение требуемой точности ± 0,01 м возможно при использовании одометрического счисления пути. При этом необходимым условием является точная оценка угловой ориентации аппарата для последующего определения координаты ТНПА в трехмерной системе координат судна. В работе введены необходимые координаты угловой ориентации ТНПА и предложена отличная от традиционных схема их определения, включающая оценку курсового угла и угла наклона корпуса судна к вертикали места по показаниям триады акселерометров, с осями чувствительности, параллельными главным строительным осям аппарата. Такая схема имеет существенное преимущество - независимость показаний угловых координат от времени работы системы. Результаты математического моделирования системы показали целесообразность применения предложенных алгоритмов и на текущий момент позволили получить координаты аппарата относительно судна с погрешностями, не превышающими 0,05 м.

Литература

1. Правила освидетельствования судов в процессе их эксплуатации (ПОСЭ). Российский речной регистр, 2017. 152 с.

2. Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые: ГОСТ Р 55724-2013. 2015. 27 с.

3. Правила классификационных освидетельствований судов в эксплуатации: НД № 2-020101-012. Российский Морской Регистр Судоходства, 2017. 491 с.

4. Вельтищев В.В. [и др.] Роботизированная технология освидетельствования подводной части судна // Подводные исследования и робототехника. 2016. № 1/21. С. 15 - 24.

5. Сравнение Пьезо- и ЭМА-технологии возбуждения/ приема ультразвука [Электронный ресурс]. URL: http://ultrakraft.ru /ru/technology/emat-vs-piezo (дата обращения: 10.02.2018).

6. Алешин Н.П. [и др.] Мониторинг технического состояния корпусов судов с использованием телеуправляемого подводного аппарата // В мире неразрушающего контроля. 2015. Т. 18, № 3. С. 11 - 14.

7. Standard Practice for Mechanized Ultrasonic Examination of Girth Welds Using Zonal Discrimination with Focused Search Units: ASTM E1961 - 16. American Society for Testing and Materials, 1998. 12 р.

8. Gladkova O.I., Veltishev V.V., Egorov S.A. Development of an Information Control System for a Remotely Operated Vehicle with Hybrid Propulsion System. Springer, Cham, 2020. P. 205 - 217.

ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 3

9. Никитин И.В. Задача навигации наземного объекта на основе данных БИНС и одометра. М., 2015. 88 с.

10. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем.

СПб: ГНЦ РФ ОАО Концерн ЦНИИ «Электроприбор», 2009. 280 с.

11. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. М.: Машиностроение, 1976. 184 с.

References

1. Rules for Technical Supervision during Exploitation ofShips (RTSE). Russian River Register, 2017, 152 p.

2. Non-Destructive Testing. Welded Joints. Ultrasonic Methods: GOST R 55724-2013, 27 p.

3. Rules for the Classification Surveys of Ships in Service: ND No. 2-020101012. Russian Maritime Register of Shipping, 2017. 491 p.

4. Veltishchev V.V. and others. Robotic technology for survey of the underwater part of the vessel // Underwater Investigations and Robotics, 2016. No. 1/21. Р. 15 - 24.

5. Comparison of the Piezo and EMA technologies of excitation / reception of ultrasound. Available at: http://ultrakraft.ru/ru/technology /emat-vs-piezo, accessed 10.02. 2018.

6. Aleshin N.P. and others. Ship Hull Diagnostics with the Use of Remotely Operated Underwater Vehicle // NDT World. 2015. Vol. 18. No. 3, P. 11 - 14.

7. Standard Practice for Mechanized Ultrasonic Examination of Girth Welds Using Zonal Discrimination with Focused Search Units: ASTM E1961 - 16. American Society for Testing and Materials, 1998, 12 p.

8. Gladkova O.I., Veltishev V.V., Egorov S.A. Development of an Information Control System for a Remotely Operated Vehicle with Hybrid Propulsion System. Springer, Cham, 2020. Р. 205 - 217.

9. Nikitin I.V. The task of navigating a ground object based on SINS and odometer data. Cand. phys.-math. sci. diss. Moscow, Moscow State University Publ., 2015. 88 p.

10. Matveev V.V., Raspopov V.Ya. Fundamentals of building strapdown inertial navigation systems. St.-Petersburg: Concern CSRI «Elektropribor» JSC SRC RF, 2009, 280 p.

11. Kuzovkov N.T. Modal control and monitoring devices. Moscow: Engineering, 1976, 184 p.

Поступила в редакцию /Received 12 мая 2020 г. /May 12, 2020