CC BY
358
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Наумов Л.А., Боровик И.Н., Боровик А.И. Автономный необитаемый подводный аппарат ММТ-2012 // Материалы Пятой Всероссийской научно-технической конференции «Технические проблемы освоения Мирового океана» (ТПОМО-5). - М.: ИПМТ, 2013. - С. 46-48.
2. Наумов Л.А., Боровик А.И., Баль Н.В. RCE - программная платформа для системы управления АНПА // Подводные исследования и робототехника. - 2011. - № 2 (12). - С. 18-25
3. Боровик А.И., Наумов Л.А. Компонентно-ориентированная программная платформа для автономных мобильных роботов // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2013. - № 3 (140). - С. 39-47.
4. Oreback A. A Component Framework for Autonomous Mobile Robots // PhD thesis, KTH Numerical Analysis and Computer Science, Stockholm, Sweden, 2004.
5. Arkin R.C. Behavior-Based Robotics // The MIT Press, Cambridge, Massachusetts, London, England, 1998.
6. Багницкий А.В., Инзарцев А.В. Автоматизация подготовки миссии для автономного необитаемого подводного аппарата в задачах обследования акваторий // Подводные исследования и робототехника. - 2010. - № 2 (10). - С. 17-24.
7. Агеев М.Д., Касаткин Б.А., Киселёв Л.В. и др. Автоматические подводные аппараты. - Л.: Судостроение, 1981. - 224 с.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н. С.М. Бурков.
Боровик Алексей Игоревич - Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук; e-mail: alexey@borovik.me; 690091, Владивосток, ул. Суханова, 5А; тел.: 84232215545, доб. 445; телекоммуникационный центр; младший научный сотрудник.
Наумов Леонид Анатольевич - e-mail: naumov@marine.febras.ru; тел.: 84232432651; чл.-корр. РАН.
Borovik Alexey Igorevich - Institute of Marine Technology Problems, Far Eastern Branch of Russian Academy of Science; e-mail: alexey@borovik.me; 5A, Sukhanova street, Vladivostok, 690091, Russia; phone: +74232215545, ext. 445; Center of telecommunications; junior researcher.
Naumov Leonid Analolievich - e-mail: naumov@marine.febras.ru; phone: +74232432651; corresponding member of RAS.
УДК 551.46.077:629.584
А.А. Борейко, Ю.В. Ваулин, В.В. Костенко, Ю.В. Матвиенко, Д.Н. Михайлов,
А.М. Павин
НАВИГАЦИОННОЕ И АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЛЕКСА АНПА-ТНПА ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ МОНИТОРИНГА ДОННОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Представлены особенности и техническая реализация навигационного и алгоритмического обеспечения подводно-технического комплекса, состоящего из автономного и телеуправляемого необитаемых подводных аппаратов. Принятые технические решения обеспечивают совместную работу АНПА и ТНПА в едином гидроакустическом навигационном поле, образованном набором маяков-ответчиков. Это дает возможность скоординированного взаимодействия аппаратов в ходе комплексного обследования донной поверхности или инспекции гидротехнических сооружений и корпусов кораблей. Комплекс АНПА-ТНПА позволяет одновременно проводить ГБО-съемку дна с идентификацией ранее выявленных гидроакустических целей по данным сканирования высокочастотным гидролокатором секторного обзора и съемки фото- и телевизионными камерами. В статье описаны алгоритмы траекторного управления, позволяющие автоматизировать движение ТНПА как под водой, так и по поверхности в целевую точку с известными географическими координатами. Предложены и реализованы технические решения, обеспечивающие динамическое
позиционирование аппарата над объектом в режиме видеонавигации и автоматическую инспекцию подводных сооружений и корпусов кораблей. Рассмотрены особенности навигационного обеспечения ТНПА и регуляторов исполнительного уровня системы управления. Приведены результаты натурных испытаний подводно-технического комплекса, разработанного в ИПМТ ДВО РАН.
Телеуправляемый необитаемый подводный аппарат; автономный необитаемый подводный аппарат; система бортового управления и навигации; гидроакустическая навигационная система с длинной базой; доплеровский лаг; эхолокационная система; спутниковая навигационная система; алгоритмы управления траекторным движением; динамическое позиционирование; видеонавигация; регуляторы управления движением; натурные испытания.
A.A. Boreyko, Yu.V. Vaulin, V.V. Kostenko, Yu.V. Matvienko, D.N. Mikhailov,
A.M. Pavin
NAVIGATION AND ALGORITHMIC SUPPORT AUV-ROV COMPLEX IN SOLVING PROBLEMS MONITORING BOTTOM SURFACE
The paper presents the features and technical implementation of the navigation software and algorithmic underwater technical complex consisting of autonomous and remotely operated unmanned underwater vehicles. Adopted technical solutions provide collaboration AUV and ROV in a single hydroacoustic navigation field formed by a set of sonar beacons. This enables coordinated interaction vehicles in the bottom surface of the comprehensive examination or inspection of hydraulic structures and ship hulls. Complex AUV - ROV allows us to conduct SSS shooting bottom with identification ofpreviously detected targets for high-frequency scan sonar and shooting a photo and television cameras. This article describes the trajectory control algorithms to automate the movement of technical regulations under water and on the surface of the target point with known geographic coordinates. Proposed and implemented solutions that deliver dynamic positioning ROV over any object and automatic inspection of underwater structures and ship hulls. The features of navigational support technical regulations and controls the executive level management. The results of field tests of underwater technical complex developed in IMPT FEB RAS.
Remotely operated vehicle; autonomous underwater vehicle; system-board navigation and control; hydroacoustic navigation system; doppler lag; echolocation system; satellite navigation system; control algorithms for trajectory motion; dynamic positioning; video navigation; regulators motion control; field tests.
Введение. Эффективным способом выполнения поисковых и инспекционных работ под водой является использование комплекса, состоящего из АНПА и ТНПА. При этом целесообразно последовательное использование аппаратов комплекса «АНПА-ТНПА» с координированием их движения в общем поле маяков гидроакустической навигационной системы с длинной базой (ГАНС ДБ).
На первом этапе поисковых работ средствами АНПА производится обследование зоны поиска. По результатам съемки гидролокатором бокового обзора (ГБО) фиксируются координаты предполагаемых целей. Последующая идентификация целей производится с помощью ТНПА. При этом, пока ТНПА исследует обнаруженные цели, АНПА может приступать к съемке следующего участка.
Типовой сценарий идентификации донной цели с известными географическими координатами можно разбить на следующие этапы:
♦ вывод ТНПА по поверхности в окрестность цели по данным спутниковой навигационной системы;
♦ заглубление аппарата и выход к цели по данным от маяков ДБ ГАНС района работ;
♦ допоиск цели в ходе обзорно-поисковой съемки дна с помощью гидролокатора секторного обзора (ГСО);
♦ наведение по ГСО до визуального контакта с целью;
♦ детальное обследование донной цели с помощью ГСО, видеокамер и фотосистемы.
Кроме мониторинга донной поверхности, ТНПА может использоваться для осмотра гидротехнических сооружений и корпусов кораблей. Увеличение производительности инспектирования гидротехнических сооружений и бездокового освидетельствования корпусов кораблей требует выполнения следующих операций:
♦ поступательное движение ТНПА вдоль корпуса корабля на заданной дальности обследования со стабилизацией углового положения по сигналам от эхолокационной системы (ЭЛС), доплеровского лага (ДЛ) и навигационных датчиков системы бортового управления и навигации (СБУН);
♦ определение координат ТНПА относительно корпуса обследуемого корабля на основании данных от ДЛ на поворотной платформе и ЭЛС;
♦ гидроакустическую съемку поверхности корпуса корабля ГСО;
♦ фототелевизионную съемку поверхности корпуса корабля с регулированием угла наклона платформы фототелекамер в продольно-вертикальной плоскости ТНПА;
♦ определение координат перемещений ТНПА относительно объекта по данным цифровой фотосистемы;
♦ передачу на корабль-носитель в реальном времени информации, поступающей от видеокамер и ГСО, а также координат ТНПА относительно корпуса обследуемого корабля, определенных средствами СБУН.
Навигационное обеспечение ТНПА. По своему составу и характеристикам навигационную систему ТНПА целесообразно унифицировать с навигационной системой АНПА, входящего в подводно-технический комплекс. Типовая навигационная система (НС) необитаемого подводного аппарата (НПА) включает в себя магнитный компас, угловые датчики (крен, дифферент), датчики угловых скоростей (рыскание, крен, дифферент) и датчик глубины. Дополнительно в состав НС включен доплеровский лаг (ДЛ), что позволяет производить на борту ТНПА счисление координат, а также приемник спутниковой навигационной системы (СНС) и эхолокационная система. Полный состав НС ТНПА приведен на рис. 1. Наличие приемника СНС на борту ТНПА позволяет с высокой точностью подводить аппарат к месту погружения по поверхности, например к координатам цели, полученным после ГБО съемки местности произведенной АНПА.
Рис. 1. Навигационная система ТНПА «МАКС-300М»
Отличительной особенностью НС ТНПА «МАКС-300М» от типовых решений является наличие на борту приемопередатчика ГАНС ДБ. ТНПА имеет возможность работать в одном маяковом поле с АНПА. На основе информации об измеренных дальностях до маяков-ответчиков ГАНС ДБ на борту ТНПА осуществляется коррекция счисленных координат. Таким образом, на ТНПА «МАКС-300М» реализуются алгоритмы комплексированной навигационной системы, что позволяет существенно повысить точность измерения координат на борту ТНПА и организовывать автоматическое приведение аппарата в точку с заданными географическими координатами.
Другой особенностью НС ТНПА является наличие развитой эхолокационной системы (ЭЛС). Развитая ЭЛС обеспечивает возможность высокоточного позиционирования и координатной привязки данных измерений в ходе инспектирования донных сооружений и корпусов судов. ЭЛС ТНПА «МАКС-300М» включает в себя четыре локатора. Кроме данных от ЭЛС в алгоритмах позиционирования ТНПА используются и данные от четырех антенн доплеровского лага. На рис. 2 приведена принятая схема расположения лучей ЭЛС и ДЛ.
Рис. 2. Конфигурация лучей ЭЛС и ДЛ
Направленный вниз локатор ББ предназначен для измерения дистанции до дна. Он используется для стабилизации вертикального отстояния ТНПА от грунта как при обследовании донных объектов, так и при осмотре корпусов судов, причальных стен и пр. Передние локаторы БЯ и БЬ предназначены для стабилизации горизонтального отстояния аппарата до осматриваемого объекта. В случаях бездокового освидетельствования судов очевидна невозможность применения магнитного компаса для стабилизации продольной оси аппарата по нормали к осматриваемой поверхности. На основе данных от этих локаторов можно вычислить угловое положение ТНПА в горизонте относительно осматриваемой поверхности у, а также среднюю дистанцию до нее Ба по очевидным соотношениям:
БЬ - БЯ V = агс12-,
' Ва ' (1)
Ба = (БЬ + БЯ)/2, где Ва - расстояние между передними эхолотами.
Локатор Би предназначен для измерения дистанции вверх. Используется для организации движения ТНПА подо льдом или в полостях. Локатор БИ устанавливается в специальном кронштейне, позволяющем при необходимости изменять его угол наклона. Для измерения углового положения ТНПА относительно корпуса судна, кроме данных ЭЛС от БЯ и БЬ, также используются четыре дистанции,
измеренные ДЛ. Антенны ДЛ на ТНПА «МАКС-300М» расположены на управляемой поворотной платформе. Благодаря такому техническому решению стало возможным направлять ДЛ на осматриваемый объект и измерять скорость движения относительно объекта. Это может быть полезно, например, при осмотре корпуса судна, когда судно находится в дрейфе, а результаты фото- и видеосъемки необходимо привязать к системе координат, связанной с корпусом судна (рис. 3). Во время движения аппарата антенны ДЛ ориентируются перпендикулярно корпусу судна в автоматическом или ручном режиме (см. рис. 3). Кроме того, на основе данных от ДЛ (четыре дальности до корпуса и две скорости движения относительно него) определяются положения ТНПА в координатах судна.
Рис. 3. Использование ДЛ на поворотной платформе для стабилизации ТНПА при осмотре вертикальных и наклонных поверхностей
Кроме варианта с простым счислением координат по данным ДЛ, и датчика глубины, при осмотре подводных сооружений можно использовать схему с применением судовой антенны ГАНС (рис. 4).
У
Рис. 4. Позиционирование ТНПА относительно корпуса судна с применением
судовой антенны ГАНС
В этом случае судовая антенна ГАНС размещается стационарно на заранее известной глубине погружения и горизонтальном отстоянии от инспектируемой поверхности. СБУН по данным о дальности до судовой антенны ГАНС, глубине погружения судовой антенны и аппарата производит вычисление положения ТНПА в системе координат, привязанной к объекту осмотра. Обозначим через Ха, Уа, 2а положение ТНПА в системе координат, центр которой привязан к «репер-ной» точке «О» инспектируемого объекта (см. рис. 5).
Рис. 5. Система координат, принятая для определения положения ТНПА относительно корпуса судна с применением судовой антенны ГАНС
В соответствии с приведенной выше схемой можно определить координаты ТНПА по следующим соотношениям:
Ya = К + Ha, (2)
Za = Da ■ COS Г,
где Rd - наклонная дальность между судовой и аппаратной антеннами ГАНС; Нса - глубина погружения судовой антенны ГАНС; На - глубина погружения ТНПА; Zca - вынос судовой антенны ГАНС от инспектируемой поверхности; h6 - расстояние от вертикального уровня отсчета (борт судна) до поверхности воды. Для регулирования горизонтальной координаты ТНПА Ха относительно инспектируемой поверхности используются результаты интегрирования скорости перемещения аппарата по ДЛ с периодической поправкой от ГАНС, вычисленной по формуле (2).
Наличие в составе оборудования цифровой фотосистемы позволяет организовать высокоточное измерение линейных и угловых перемещений аппарата относительно характерных объектов как на грунте, так и на обследуемой поверхности. При этом становится возможной реализация высокоточного перемещения ТНПА относительно инспектируемых объектов в режиме детальной видеофотосъемки, а также «мозаицирование» полученного фотоматериала [1-3].
Упомянутое выше навигационное обеспечение позволяет реализовать следующие режимы автоматического движения ТНПА:
♦ автоматическое приведение в точку с заданными географическими координатами;
♦ автоматическое приведение в толще воды в точку донной поверхности с заданными географическими координатами;
автоматическое движение в толще воды по заданной траектории при обследовании донной поверхности;
автоматическая инспекция подводных сооружений и корпусов кораблей вертикальными и горизонтальными галсами;
динамическое позиционирование аппарата над объектом по данным цифровой фотосистемы.
Автоматическое приведение ТНПА в точку с заданными географическими координатами. Приведение аппарата в заданную точку обеспечивается реализацией исполнительным уровнем СБУН значений угла курса и скорости хода, определенных в соответствии с рис. 9 по следующим формулам (3):
♦
♦
♦
q>3 = arctg
Хц ~ Ха
Z - Z
ц а
V3 = Vxmax, если R > 10 м; V = 0, если R < 10 м;
(3)
R =
л/(ХЦ - Xa )
2,(Zц - Z a )2,
где Хц, 1ц - географические координаты цели; Ха, 1а - географические координаты ТНПА; фз - заданный курс движение к цели; Яц - расстояние от ТНПА до цели; ¥хз - заданная скорость хода ТНПА к цели; Ухтах - максимальная скорость хода ТНПА. При этом поправки счисления координат ТНПА по данным ДЛ и магнитного компаса производятся от бортового приемника СНС в случае движения аппарата по поверхности и от ГАНС ДБ при движении в толще воды.
Рис. 6. Фрагмент навигационного планшета оператора ТНПА с интегрированными данными, полученными ГБО АНПА
В соответствии с выражением (3) по завершении сближения ТНПА с целью до дистанции 10 м СБУН перейдет в режим стабилизации нулевой скорости хода со стабилизацией угла курса, соответствующего ориентации аппарата на цель. При этом целесообразно перейти в режим допоиска цели гидролокатором секторного обзора с последующим сближением по ГСО до визуального контакта.
Автоматическая инспекция подводных сооружений и корпусов кораблей. Для автоматической инспекции подводных объектов необходимо организовать траекторное движение ТНПА относительно осматриваемой поверхности на заданной дистанции и со стабилизацией углового положения. Возможные при этом варианты траекторий движения аппарата приведены на рис. 7.
Горизонтальные галсы Вертикальные галсы
Рис. 7. Варианты траекторий обследования корпуса судна
Рис. 8. Схема ориентации диаграмм направленности ЭЛС, ДЛ и профилирующего ГСО относительно инспектируемой поверхности
Наличие поворотной платформы ДЛ обеспечивает возможность определения скорости движения ТНПА относительно инспектируемой поверхности произвольного наклона (см. рис. 8). В плане точности навигационного обеспечения и особенностей диаграммы направленности профилирующего ГСО более предпочтительным вариантом является движение горизонтальными галсами. При этом аппарат двигается лагом, ориентируя свою продольную ось перпендикулярно инспектируемой поверхности.
Для проведения обследования оператору сначала необходимо задать параметры траектории движения: координаты точки старта (Ха0,7а0) относительно «реперной» точки объекта, длину горизонтального галса АХ, вертикальный шаг между галсами АН, максимальную вертикальную координату обследования Уамах и дистанцию съемки 2свад, с которой ведется обследование поверхности. При этом управление траекторией движения происходит в соответствии с общим алгоритмом, который, в свою очередь, состоит из вспомогательных алгоритмов «Выход в исходную позицию», «Движение галсом», «Переход по глубине» и «Всплытие в точке старта». Последовательность реализации этих алгоритмов поясняют блок-схемы рис. 9.
Регуляторы исполнительного уровня СБУН. При разработке программы-регулятора движения ТНПА преследовались следующие цели:
1) реализация программного модуля в системе управления ТНПА, способного удерживать аппарат на заданном курсе, дифференте и крене с минимальным временем реакции на команды управления оператора;
2) наряду с контурами стабилизации в вертикальном канале (глубина или высота) необходимо иметь контуры стабилизации в горизонтальном канале (продольном и поперечном) для отработки режимов стабилизации над объектами морского дна и напротив стенки судна (при решении задач обследования вертикальных поверхностей);
3) наличие возможности простой реконфигурации регулятора под новые разрабатываемые аппараты (телеуправляемые и автономные с различным количеством двигателей);
4) реализация в регуляторе некоторого набора функций контрольно-аварийной системы (например, ограничение конструктивной глубины погружения).
б
Рис. 9. Блок-схемы алгоритмов движения ТНПА в режиме инспекции причальной
стенки: а - общий алгоритм чередования режимов; б - алгоритм «выход в исходную позицию»; в - алгоритм «движение галсом»; г - алгоритм «переход по глубине»; д - алгоритм «всплытие в точке старта»
а
в
г
д
Известно, что ТНПА как объект управления представляет собой сложную нелинейную многосвязную динамическую систему высокого порядка, практически не поддающуюся аналитическому исследованию [4]. Если принять допущение о малости значений параметров углового движения юх=ю=в=у=0, то можно упростить классическую математическую модель динамики подводного аппарата до вида системы (4):
(т+л22)-уу+кг;-уу=
^х+Л44)-ах+кгвс ■сох\сох\-т-ус-&-в=Мх+Мйх, ^у+Л55)-а>у + к*-ау -\оу\ =Му
гс
(4)
6 = а>х, ф = ау, ^ =
% = Ух-со$(р + У1-,$лп(р, т) = Уу=-Н, £ = -Ух-${п(р + У1-со$(р,
где т - масса ТНПА; Зх, Зу, - осевые моменты инерции; Хц - присоединенные массы (/ = 1, 2, 3), и присоединенные моменты инерции (/ = 4, 5, 6); Ух, Уу, V и юх, ту, - составляющие соответственно линейных и угловых скоростей движения
ТНПА в связанной СК; ус - метацентрическая высота; кгх , кгу , кгг, кгдс, к, к^
- коэффициенты гидродинамического сопротивления; Ех, ¥у, Мх, Му, М2 -управляющие воздействия ДРК; Тах, Тау, Та1 - проекции натяжения ходового конца кабеля в связанной системе координат; в, ф, у - углы крена, курса и дифферента соответственно;
=-(т + Лзз) V-шу, = (т + Ли)-ух-ау, М* =~т-ус-У2 + т-ус-(Ух-юу - Уу ю), М* = (А11 -Л33)УУ,
М =-т'Ус'Ух - (Л22 -Л11) УхУу + т'Ус '(У Юу - Уу ) - возмущения, обусловленные взаимовлиянием каналов управления через динамику ТНПА; Q - остаточная плавучесть аппарата; ^, ], д - скорости движения центра масс аппарата в неподвижной системе координат.
Таким образом, регулирование движения аппаратом можно разложить на параллельное управление шестью каналами, каждый из которых представляет собой классический ПИД-регулятор. При этом межканальные влияния учитываются в виде возмущений. Каналы управления представляют собой шесть степеней свободы (курс, дифферент, крен, вертикальное перемещение, продольное перемещение, перемещение лагом). В большинстве этих степеней свободы можно пренебречь интегральной составляющей, так как оператору ТНПА несложно компенсировать статичные отклонения этих параметров от заданных значений. Основными критериями выбора структуры регуляторов движения, в первую очередь, явились простота их построения и использования, а также легкость в настройке, прозрачность процесса функционирования и высокая скорость программной реализации (низкая ресурсоемкость).
Рис. 10. Блок-схема алгоритма работы регуляторов ТНПА
Регулятор ТНПА реализован в системе управления в виде отдельного исполняемого файла, который использует только базовые математические функции языка C и может быть откомпилирован в любой современной операционной системе. Единственной дополнительно подключаемой компонентой является используемая в аппаратах ИПМТ библиотека интерфейсных функций, необходимая для обмена сообщений между программами внутри системы и по сети. Поскольку регулятор непосредственно не взаимодействует с какими-либо устройствами ТНПА (выступает как математический модуль, потребляющий и публикующий сообщения), то он может быть использован не только для управления аппаратом, но и для проведения моделирования его движения.
Принцип работы регулятора заключается в циклическом ожидании сообщений навигационной системы и команд регулятору (рис. 10). После получения от навигационной системы метки начала нового навигационного цикла, регулятор движения рассчитывает и посылает новые управляющие воздействия блоку управления двига-
телям. Особенностью разработанного регулятора является одновременное исполнение функций арбитра, входящих команд управления. Рассмотрим формат используемой команды управления. Первым ее полем числится лимит на отработку галса, который определяет время выполнения данного действия. Если в течение этого времени придет новое сообщение с таким же или более высоким приоритетом, то команда будет подменена, иначе - отброшена. Таким образом, удается реализовать параллельное функционирование на борту аппарата нескольких подсистем управления с разным приоритетом. Например, ТНПА может самостоятельно стабилизироваться над объектом управления на низком приоритете, но при получении команд ручного управления (с более высоким приоритетом) будет исполнять их.
Еще одним интересным решением было использование единой команды-галса с одновременной реализацией разных режимов управления по всем степеням свободы (см. рис. 10 - блоки heading, pitch, roll, up, forward, right). Для этого на каждую степень свободы выделено два поля: mode - режим управления по конкретной степени свободы и value - значение управляемой величины в данном режиме. Режимы управления представлены перечисляемым типом, т.е. на программном уровне можно задать только возможный режим управления для данного канала. Например, ручное управление с помощью прямого задания упоров может осуществляться для всех степеней свободы, режим управления скоростью не определен для крена и дифферента, а режим целевого значения для вертикального канала бывает двух типов: целевая глубина и целевая высота. Таким образом, может быть реализовано более тысячи различных режимов управления движением аппарата, представляющих комбинацию небольшого числа состояний для каждого канала управления. В их числе - режимы продольной и поперечной стабилизации, которые используются для позиционирования над объектами дна по фотоизображениям или напротив борта обследуемого судна (значение value при этом представляет отрабатываемое рассогласование). При для работы вблизи сильно намагниченных объектов можно выбрать режим рассогласований для курса, чтобы не задействовать магнитный компас (дифференциальная составляющая при этом обрабатывается регулятором, а медленно накапливающаяся ошибка - оператором).
Результаты натурных испытаний. Целью испытаний являлась проверка навигационного и алгоритмического обеспечения ТНПА «МАКС-300М» при работе в реальных условиях в комплексе с поисковым АНПА. Предварительно в районе натурных испытаний была развернута ГАНС ДБ из трех МО и установлена условная цель, процесс установки показан на рис. 11.
Рис. 11. Установка условной цели на оборудованном ГАНС ДБ полигоне
На первом этапе средствами АНПА была произведена ГБО съемка донной поверхности. При этом навигация АНПА осуществлялась в режиме с коррекцией счисленных координат по данным ГАНС ДБ (рис. 12).
Рис. 12. Траектория движения АНПА во время ГБО съемки района
На втором этапе производились запуски ТНПА. При этом относительная система координат, в которой работала НС ТНПА, была привязана к системе координат, в которой велась ГБО съемка района. На рис. 13 показан скрин планшета ТНПА с картой местности и изображением участка ГБО съемки.
I Старт || Степ | Джойстж испо>ъзуется Сектс£№й /ккатср ГЪсЛиммачЙ) локат
Детски
К)>гъотер аетегмлота Напряжен« 26.8 В
Тек 0.4 А
Вода>£нтей*р норма
Кс*пенсатор 1 норма
Ксюпенсатор 2 норма
Плата аеаоЛсй сш»и Нагряжете 26.8 В
Ток 0.4 А
Вода/с&дая норма
Ко^ъютер те»+1чэа<сго эренля напряжемте 26.5 В
Ток 0.0 А
Вода/одео норма
Вода>сдем норма
Вода/фото норма
! Режм* курса ||№^косрд14т1|Режуи^сттекцкУ1| |Глу€№эл« II Высотам |Пэсдол. Гклесеч, угол Угол Угол М»»пуя.
Шдцд, 6-в©° 4.89 п1с ход, м/с код, М/С ((ото дштпиц.! | Схватмтъ I
X: -203.13м ' , 0.27 -0.03 0° -73» 45» Ьтгусшть!
V;-354.90м
ЗадгноО® "I Задать |О.СО^ 0 5,0 ? 0,0 : 0,50 V1 0,01 О б -90 *- 28 С1 Вйкл I
Рис. 13. ГБО изображение цели привязывается к карте района на графическом планшете оператора ТНПА, где 3 - ГБО-грамма, полученная АНПА; 2 - отметка цели (точка финиша); 1 - отметка ТНПА (точка старта)
Далее ТНПА в автоматическом режиме двигался к отметке цели. Траектория движения ТНПА к цели с известными географическими координатами показана на рис. 14,а, а конечное его положение в районе поиска на момент захвата цели бортовым ГСО - на рис. 14,б.
а б
Рис. 14. Автоматическое наведение ТНПА на цель с известными географическими
координатами
ГСО-граммы ТНПА в процессе его сближения с целью приведены на рис. 15. На рис. 16 приведены стоп-кадры видеосъемки и цифровые фотографии в момент выхода аппарата на визуальный контакт с мишенью.
до цели - 36 м до цели - 17 м
до цели - 5 м
Рис. 15. Этапы автоматического сближения ТНПА с целью по ГСО-граммам
Рис. 16. Видеоматериалы выхода ТНПА на визуальный контакт с условной целью в полуавтоматическом режиме
Результаты проведенного эксперимента подтвердили, что применение на ТНПА развитой навигационной системы с возможностью счисления координат по данным от ДЛ, пилотажных датчиков и ГАНС ДБ позволяет значительно упростить работу по поиску и обнаружению объектов с известными географическими координатами. В ходе испытаний была подтверждена возможность управления движением ТНПА в полностью автоматическом режиме по заданной программе, как полностью автономным аппаратом. При этом оператор может в любой момент прервать выполнение миссии и взять управление на себя. Практическая целесообразность таких режимов очевидна, например, при площадной фотосъемке дна, возврате ТНПА к обеспечивающему судну, обследовании гидротехнических сооружений и т.п.
Выводы:
♦ Для эффективного решения задач идентификации средствами ТНПА целей, обнаруженных АНПА, целесообразно использование на аппаратах идентичных навигационных систем с наличием ГАНС ДБ и приемника спутниковой навигационной системы.
♦ Автоматизация инспекции подводных сооружений и корпусов кораблей вертикальными и горизонтальными галсами требует оснащения ТНПА эхо-локационной системой и доплеровским лагом на поворотной платформе.
♦ Наличие комплексированных навигационных данных о координатах ТНПА на поверхности и в толще воды позволяет автоматизировать режимы движения аппарата к цели с известными географическими координатами.
♦ Цифровая фотосистема ТНПА на поворотной платформе позволяет измерять перемещения аппарата относительно идентифицируемых объектов с достаточной для динамического позиционирования точностью.
♦ Разработан и реализован в системе управления ТНПА программный модуль регулятора исполнительного уровня СБУН, который обеспечивает высокое качество стабилизации заданных параметров траекторного движения.
♦ В ходе натурных испытаний подтверждена возможность выхода ТНПА в окрестности цели с известными географическими координатами с дальнейшим допоиском и сближением по данным от бортового гидролокатора секторного обзора до визуального контакта.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ваулин Ю.В., Щербатюк А.Ф. Система отслеживания протяженных объектов на основе телевизионной информации для подводного робота: Cб."Морские технологии". Вып. 3. - Владивосток, 2000. - C. 80-91.
2. Inzartsev A. and Pavin A. AUV Application for Inspection of Underwater Communications / «Underwater Vehicles» edited by Alexander V. Inzartsev, In-Tech Publishers, Vienna, January, 2009. - P. 215-234. open access: www.intechweb.org.
3. Павин А.М. Идентификация подводных протяженных объектов на акустических снимках гидролокатора бокового обзора // Приборы. - 2009. - № 12. - C. 43-50.
4. Пантов Е.Н., Махин Н.Н., Шереметов Б.Б. и др. Основы теории движения подводных аппаратов. - Л.: Судостроение, 1973.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор А.Н. Жирабок.
Борейко Алексей Анатольевич - Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук; e-mail: boreyko@marine.febras.ru; 690950, г. Владивосток, ул. Суханова, 5а; тел.: 84232432647; лаборатория систем навигации и обработки сенсорной информации; к.т.н.; с.н.с.
Ваулин Юрий Валентинович - e-mail: vaulin@marine.febras.ru; лаборатория систем навигации и обработки сенсорной информации; к.т.н.; в.н.с.
Костенко Владимир Владимирович - e-mail: kostenko@marine.febras.ru; тел.: 84232432578; лаборатория исполнительных устройств и систем телеуправления, зав. лабораторией; к.т.н.
Матвиенко Юрий Викторович - e-mail: ymat@marine.febras.ru; тел.: 84232432638; зам. директора по научной работе; д.т.н.
Михайлов Денис Николаевич - e-mail: denmih@marine.febras.ru; тел.: 84232432647; лаборатория навигации и обработки сенсорной информации; м.н.с.
Павин Александр Михайлович - e-mail: pavin@bk.ru; тел.: 84232432647; лаборатория систем управления; к.т.н.; с.н.с.
Boreiko Aleksei Anatolyevich - Institute of Marine Technology Problems, Far Eastern Branch Russian Academy of Science; e-mail: boreyko@marine.febras.ru; 5, Sukhanova street, Vladivostok, 690950, Russia; phone: +74232432647; laboratory of navigation and processing of sensory information; cand. of eng. sc.; senior researcher.
Vaulin Yuri Valentinovich - e-mail: vaulin@marine.febras.ru; laboratory of navigation and processing of sensory information; cand. of eng. sc.; leading researcher.
Kostenko Vladimir Vladimirovich - e-mail: kostenko@marine.febras.ru; phone: +74232432578; laboratory actuating devices and remote control systems; laboratory head; cand. of eng. sc.
Matvienko Yuri Victorovich - e-mail: ymat@marine.febras.ru; phone: +74232432638; deputy director for science; dr. of eng. sc.
Mikhailov Denis Nikolaevich - e-mail: denmih@marine.febras.ru; phone: +74232432647; laboratory of navigation and processing of sensory information; junior researcher.
Pavin Alexandr Mikhailovich - e-mail: pavin@bk.ru; phone: +74232432647; laboratory of control systems; senior researcher.
