CC BY
24РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ
УДК: 681.51:007.52
Обеспечение информационного обмена в группе глубокопогруженных робототехнических комплексов морского базирования
Рыжкова Д. Н.
Аннотация. Постановка задачи: рассматривается структура передаваемых сообщений для робототехнических комплексов морского базирования, прием и моделирование работы протокола обмена (управления) в группе комплексов. Целью работы является повышение эффективности обмена данными с глубокопогруженными робототехническими комплексами. Используемые методы: теоретические заделы в области обеспечения обмена информацией в подводном положении совместно с имитационным моделированием протокола управления. Новизна состоит в рассмотрении информационного обмена по гидроакустическому каналу в группе робототехнических комплексов, которая управляется автономно. Результат заключается в предлагаемой структуре приемного модема, обеспечивающей многоканальный прием гидроакустических сигналов, а также модели протокола управления группой робототехнических комплексов. Практическая значимость: предложенная структурная схема построения гидроакустического модема принципиально позволяет повысить помехоустойчивость приема, а также унифицировать средства связи роботов. Разработанная модель работы протокола ^ОЫ в среде ОМЫЕТ+ + может использоваться в основе дальнейших исследований организации управления группой робототехнических комплексов.
Ключевые слова: робототехнический комплекс морского базирования, гидроакустический канал, параметрическая аппаратура, алгоритмы управления в группе робототехнических комплексов
Введение
Благодаря современным высокоэффективным вычислительным системам, обладающим относительно низким уровнем энергопотребления, широко развивается направление разработки робототехнических комплексов и, в частности, робототехнических комплексов морского базирования (РТК МБ). Автономные РТК МБ способны выполнять огромный спектр миссий (поисково-спасательные операции, донная геологоразведка, патрулирование береговых линий и трубопроводов и пр.). Для выполнения миссий необходим информационный обмен РТК МБ с базовым пунктом управления (БПУ) [1]. Известные на сегодняшний день методы обмена информацией с РТК МБ в большей степени подразумевают использование каналов радиосвязи. Однако, для осуществления сеансов радиосвязи РТК МБ необходимо выполнять всплытия, увеличение числа которых уменьшает вероятность и оперативность выполнения миссии.
Для повышения вероятности выполнения миссии применяется группа из нескольких РТК МБ. Для эффективного функционирования группы РТК МБ требуется наличие единого управления (интеллекта группы). В публикациях по данной теме встречаются следующие варианты: интеллектом группы является один РТК МБ, либо интеллект группы находится на берегу и располагает надежным каналом двусторонней связи с БПУ (что требует исследований).
В данной статье предлагается рассмотреть ситуацию, когда интеллект группы закреплен за глубокопогруженным РТК МБ и при этом, в случае необходимости, может быть оперативно возложен на другой РТК МБ из группы. Очевидно, что при групповом выполнении миссии необходимо наличие помимо канала связи с БПУ еще и канал взаимодействия внутри группы.
1 Пути обеспечения информационного обмена с глубокопогруженными РТК МБ
1.1 Пути обеспечения доведения информации до РТК МБ в подводном положении
Для решения задачи по обеспечению информационного взаимодействия с РТК МБ в работах [2-5] рассматривается использование всевозможных видов подводной связи, среди которых: оптическая, гидроакустическая, электромагнитная связь и др. Наиболее оправданным является применение гидроакустического канала (ГАК) для связи с РТК МБ в подводном положении. Как известно, ГАК характеризуется многолучевостью, реверберацией,
флуктуациями амплитуд на входе приемника, а также важно учитывать наличие доплеровского сдвига частоты, явления кавитации на излучателе и явление внутрисимвольной интерференции.
1.2 Гидроакустические сигналы
Большинство существующих способов повышения помехоустойчивости гидроакустических систем связано главным образом с уменьшением скорости передачи информации, что порой бывает совершенно не приемлемо при выполнении важных миссий робототехническими комплексами под водой. Для повышения помехоустойчивости передачи и снижения влияния многолучевости предлагается применение частотной модуляции сигналов и каскадных кодов.
В работе [6] рассмотрена структура построения специальной радиолинии КВ-диапазона, которую можно использовать как систему связи для РТК МБ в надводном положении. В ходе исследования в [6] выявлены положительные результаты применения данной структуры: снижение вероятности пакетирования ошибок и, как следствие, повышение корректирующей способности кодов; имеется возможность восстановить переданное сообщение благодаря одновременному параллельному приему элементов сообщения в четырех диапазонах частот.
1.3 Особенности обеспечения взаимодействия с группой РТК МБ
В ходе выполнения поставленной перед РТК МБ задачи может случится выход из строя комплекса, что необходимо учитывать для оценки вероятности выполнения поставленной миссии, особенно при дальних дистанциях от базового пункта управления. Успешность выполнения миссии напрямую зависит от работоспособности комплексов РТК МБ, а также их скрытности. По этой причине представляется рациональным рассматривать группу из нескольких РТК МБ и заложить в алгоритмы ее функционирования скрытность работы.
Сеанс связи РТК МБ с БПУ - это обмен информацией через спутниковый канал связи при осуществлении всплытия над поверхностью моря. Публикации, к примеру, [7, 8], подтверждают, что перспективным направлением является выполнение миссий группой из нескольких РТК МБ. Принципиально возможно два варианта выполнения миссии: 1 вариант -самостоятельное выполнение миссии каждым РТК МБ; 2 вариант - выполнение миссии в группе при наличии общего управляющего «интеллекта». Работа по 1 варианту подразумевает индивидуальные для всех РТК МБ выходы на связь с БПУ, что снижает вероятность выполнения миссии из-за осуществления всплытий. Работа по 2 варианту потенциально обладает возможностью повысить вероятность выполнения миссий.
1.4 Сеть связи между РТК МБ в группе
При изучении вопроса построения инфокоммуникационной сети связи между РТК МБ в группе при выполнении миссии необходимо рассмотреть вопрос алгоритмов и протоколов функционирования сети. С точки зрения алгоритмов функционирования (управления ходом миссии) в сети связи при выполнении миссии следует рассмотреть режим выхода на связь элементов группы и доступ к среде передачи, а также определение минимально необходимой информации для передачи. С точки же зрения протоколов функционирования (управления и интеллектуального сопровождения миссии) сети необходимо рассмотреть вопрос управления телекоммуникационным оборудованием. В качестве такого протокола может выступать протокол SNMP [9], однако в среде IT его более ранние версии (v.1, v.2) признаются безнадежно устаревшими [10], а поздняя версия (v.3) специалистами признается достаточно сложной в практическом применении [11]. В качестве основы разрабатываемого протокола управления и интеллектуального сопровождения миссии можно рассматривать протокол JSON, который проще в реализации и менее ресурсоемок в сравнении с SNMP. В основе процедуры обмена данными можно рассматривать метод GET протокола HTTP, т. е. метод запроса объекта.
2 Информационный обмен между глубокопогруженными РТК МБ в группе 2.1 Формирование гидроакустических сигналов для передачи информации
Явление нелинейной гидроакустики основывается на взаимодействии двух или более волн обычно ультразвукового диапазона и большой интенсивности. Взаимодействие нескольких
волн с частотами «накачки» /1 и / порождает возникновение волн с новыми частотами. В свою очередь волны с частотами /1, /2 и (/1+/2), а также высшие гармоники в ГАК имеют высокий коэффициент затухания. В среде начинает распространяться волна разностной частоты с гораздо меньшим коэффициентом затухания. Параметрические излучатели позволяют формировать узкую диаграмму направленности и имеют достаточно хорошее разрешение по частоте [12, 13].
Параметрическая антенна имеет относительно малые массогабаритные показатели, а также практически полное отсутствие боковых лепестков диаграммы направленности. Дополнительное преимущество заключается в отсутствии явления кавитации на излучателе. За всеми перечисленными достоинствами параметрических антенн скрывается главный ее недостаток -низкий КПД преобразования. Учитывая перечисленные значимые достоинства, конструкция и установка таких антенн на РТК МБ нуждается в дальнейших исследованиях.
2.2 Обработка гидроакустических сигналов
Вариант структуры построения гидроакустического приемника для РТК МБ
На рис. 1 представлена структура многоканального приемника для РТК МБ, реализующая многоканальный прием и пространственную обработку сигналов.
На Блок принятия решения о переданном знаке
Рис. 1. Многоканальный прием в ГАК
Рис. 2. Принятие решений о переданном знаке
Прием в ГАК осуществляется с гидроакустической антенны - четырехэлементной активной фазированной антенной решетки, которая представляет собой набор параметрических приемников (или параметрических излучателей в режиме передачи). На рис. 2 приведен блок принятия решения о переданном знаке. В данном блоке представлен алгоритм весовой мажоритарной обработки методом «среднего знака» [14]. Метод мажоритарного сложения, изложен в [14, 15]. Важно отметить, что проработка такой структуры построения гидроакустического приемника для РТК МБ может позволить унифицировать средства связи на нем, поскольку приведенные схемы на рис. 1 и 2 принципиально могут использоваться и для обработки радиосигнала, поступающего с радиоантенны.
3 Телекоммуникационная сеть в гидроакустическом канале между глубокопогруженными РТК МБ в группе
Всем РТК МБ следует хранить данные о ходе выполнения миссии, но принимать решения РТК МБ может только в случае наделения его полномочиями управляющего группой, т. е. назначением РТК МБ-«Лидером». РТК МБ-«Лидер» выполняет интеллектуальное сопровожде-
ние миссии и в случае необходимости может возложить полномочия управляющего на другой РТК МБ группы по алгоритму выбора главного (рис. 3-7). Далее в работе при моделировании обмена данными, для простоты построения модели рассматривается ситуация, когда управляющий группой («Лидер») поочередно опрашивает всех РТК МБ группы. Рассматриваемая в модели инфокоммуникационная сеть функционирует в режиме временного разделения каналов, любой РТК МБ из группы выходит на связь только по запросу от РТК МБ-«Лидера».
3.1 Интеллектуальное сопровождение миссии. Алгоритм управления группой
Для разработки алгоритма управления необходимо зафиксировать функции, выполняемые элементами группы (табл. 1).
Таблица 1 - Распределение функций между элементами группы РТК МБ
РТК МБ-«Лидер» РТК МБ группы («не Лидер»)
Сбор данных от каждого РТК МБ о ходе миссии; Расчет координат нахождения группы на основе ГЛОНАСС/вР8 (рис.6); Принятие решения о необходимости проведения сеанса связи с БПУ; Назначение РТК МБ из группы, который выполняет всплытие для сеанса связи с БПУ (рис. 5, рис. 7); Получение данных от РТК МБ, осуществившего всплытие и сеанс связи с БПУ; Мониторинг и построение топологии расположения РТК МБ из группы; Принятие решения о смене РТК МБ--«Лидера» (рис.3, рис.4) Мониторинг водной среды или другой сбор информации в рамках выполнения миссии; Передачу данных о проведенном мониторинге РТК МБ--«Лидеру»; Осуществление всплытия для корректировки данных о координатах (ГЛОНАСС/вР8); Осуществление всплытия для корректировки данных о координатах (ГЛОНАСС/вР8) и проведение сеанса связи с БПУ по спутниковому каналу связи; Поддержание актуальности своей базы данных о ходе выполнения миссии путем взаимодействия с РТК МБ-«Лидером».
РТК МБ-«Лидер» целесообразно оставаться в «центре» топологии, т. е. иметь в зоне гидроакустической видимости (не более 100 км для частоты 10 кГц - по оценке в [16]) все другие РТК МБ группы. В [16] приводится описание алгоритма управления группой.
3.2 Моделирование в среде OMNET++ протокола обмена управляющей информацией в группе РТК МБ
В качестве основы протокола управления и интеллектуального сопровождения миссии рассматривается протокол JSON. Разработка имитационной модели протокола управления в среде OMNET++ проводилась с применением программной платформы .NET Framework v.3.6.3.
Для относительной простоты выполнения моделирования рассматривается статическая ситуация, когда в качестве РТК МБ-«Лидера» выбран определенный РТК МБ и алгоритм смены лидера не применяется. В свою очередь РТК МБ в ходе обмена управляющей информацией (рис. 8) передает РТК МБ-«Лидеру» информацию: уникальный идентификатор (Num), заряд батареи (%), техническое состояние (TechState), координаты нахождения (XYZ), информацию о ходе миссии (InfoAboutMission). После единичного обмена управляющей информацией РТК МБ-«Лидер» обращается к следующему РТК МБ из группы. На рис. 9 приведена разработанная топология структуры построения модели телекоммуникационной подводной сети связи между РТК МБ в случае группы из четырех РТК МБ (управляющий RobotO и трех управляемых РТК МБ Robot1,2,3). В основе системы обмена данными рассматривается модель HTTP-протокола. Модель Райсовского канала связи RicianFading заложена как модель многолучевого распространения сигнала. Модель шумов задана как IsotropicScalarBackgroundNoise. Эта модель фонового шума описывает изотропный шум, неизменный в пространстве, по времени и частоте.
Разработанная имитационная модель протокола управления позволяет варьировать такими важными параметрами, как: число РТК МБ в группе, рабочая частота передачи, размер передаваемых пакетов, максимальное расстояние между РТК МБ группы и РТК-«Лидером» и др.
Выводы
1. Гидроакустическая связь является наиболее подходящим методом обмена информацией под водой среди РТК МБ.
Рис. 3. Алгоритм для выполнения перевыбора РТК МБ-«Лидера»
Рис. 4. Алгоритм выбора РТК
МБ-«Лидера» для двух сценариев выполнения миссии
Рис. 5. Алгоритм выбора РТК МБ по с ценарию «скрытность» для сеанса связи и сверки координат
Рис. 6. Алгоритм выбора РТК МБ по сценарию «скрытность» для сверки координат
Рис. 7. Алгоритм выбора РТК МБ
по сценарию «скорость» для сеанса связи и сверки координат
Рис. 8. Единичный обмен управляющей информацией
Рис. 9. Модель телекоммуникационной подводной сети связи между РТК МБ
2. Обмен данными между РТК МБ в подводном положении на значительные расстояния достигается системой гидроакустической связи за счет снижения скорости передачи информации при условии подавления помех от сторонних излучателей и автоматического учета эффекта Доплера. Предложенная в работе схема потенциально позволяет повышать скорость передачи
данных благодаря наличию нескольких каналов. Также данная схема принципиально может позволить унифицировать средства связи, например, комплекса РТК МБ.
3. Разработанная имитационная модель гидроакустического канала адекватна и может использоваться для проведения различных исследований.
Литература
1. Автономные подводные роботы. Системы и технологии / Под ред. М.Д. Агеева. - С.: Наука, 2005. 398 с.
2. Стопцов Н.А., Бойцов В.И., Шелемин В.Н. Связь под водой. - Л.: Судостроение, 1990. - 248 с.
3. Шибков А.Н. Подводная связь и навигация с использованием электромагнитного поля. Дисс. д.т.н. - Владивосток: ДВГУ. 2006. 284 с.
4. Шайдуров Г.Я., Кудинов Д.С. Энергетический потенциал и тактико-технические возможности использования эффекта параметрической демодуляции для подводного радиоприема сигналов в морской воде // Журнал радиоэлектроники. №2. 2012.
5. Буданов С.П. и др. Диаграмма направленности гидрооптического приемника акустических колебаний // Оптический журнал. 2004. Т. 71. № 4. С. 34-38.
6. Рыжкова Д.Н. Метод доведения информации до глобально удаленных объектов в КВ-диапазоне: выпускная работа бакалавра / Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. -СПб.: 2016. 40 с.
7. Бычков И.В., Кензин М.Ю., Максимкин Н.Н., Хмельнов А.Е., Киселев Л.В., Инзарцев А.В. Ситуационное управление группировкой автономных подводных роботов на основе генетических алгоритмов // Подводные исследования и робототехника. 2009. №2 (8). С. 34-43.
8. Кензин М.Ю., Бычков И.В., Максимкин Н.Н., Киселев Л.В. Планирование динамических многоцелевых миссий для групп автономных необитаемых подводных аппаратов на основе гибридного эволюционного подхода // XII Всероссийское совещание по проблемам управления. 2014.
9. Олифер В., Олифер Н. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 5-е изд. - СПб.: Питер, 2016. 992 с.
10. Электронный ресурс: [http://www.snmp.ru/doku.php] Дата обращения 14.05.2018 г.
11. Электронный ресурс: [http://rus-linux.net/MyLDP/admin/snmp.html] Дата обращения 14.05.2018г.
12. Бахарев С.А., Карасев В.В. Использование методов и средств нелинейной гидроакустики в рыбопоисковой технике. Учеб. пособие. - Владивосток: Дальрыбвтуз, 2001. 105 с.
13. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. 264 с.
14. Жуков Г.А., Попков В.Я. О методах определения весовых коэффициентов для дискретного сложения сигналов, принятых по параллельным каналам // Тезисы докладов VIII симпозиума по проблеме избыточности в информационных системах. Часть 2. - Ленинград: Академия наук СССР, Ленинградский институт авиационного приборостроения, 1983. - С. 94-97.
15. Жуков Г.А. Методы весовой мажоритарной обработки дискретной информации при приеме по параллельным каналам // Техника средств связи. Сер. ТПС, 1983. Вып. 8. С. 74-84.
16. Рыжкова Д.Н. Обеспечение информационного обмена между глубокопогруженными автономными необитаемыми подводными аппаратами в группе / Выпускная квалификационная работа магистра / Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого. - СПб.: 2018. 67 с.
References
1. Autonomous underwater robots. Systems and Technologies. Ed. M.D. Ageeva. S.: Nauka, 2005. 398 р.
2. Stopts N.A., Boytsov V.I., Shelemin V.N. Communication under water. L.: Shipbuilding. 1990. 248 p.
3. Shibkov A.N. Underwater communications and navigation using an electromagnetic field. Diss. Doctor of Technical Sciences. Vladivostok: FENU. 2006. 284 р.
4. Shaidurov G.Ya., Kudinov D.S. Energy potential and tactical and technical possibilities of using the parametric demodulation effect for underwater radio reception of signals in sea water. Journal of Radioelectronics. № 2. 2012.
5. Budanov S.P. et al. Directivity pattern of a hydrooptical receiver of acoustic oscillations. Optical Journal. 2004. V. 71. Number 4. S. 34-38.
6. Ryzhkova D.N. Method for bringing information to globally distant objects in the HF range: graduate work of a bachelor. St. Petersburg State Polytechnic University. St. Petersburg, 2016.40 р.
7. Bychkov I.V., Kenzin M.Yu., Maksimkin N.N., Khmelnov A.E., Kiselev L.V., Inzartsev A.V. Situational management of a group of autonomous underwater robots based on genetic algorithms. Underwater Research and Robotics. 2009. No. 2/8. S. 34-43.
8. Kenzin M.Yu., Bychkov IV, Maksimkin NN, Kiselev LV Planning dynamic multipurpose missions for groups of autonomous uninhabited underwater vehicles based on a hybrid evolutionary approach. XII All-Russian meeting on control problems. 2014.
9. Olifer V., Olifer N. Computer networks. Principles, technologies, protocols: Textbook for universities. 5th ed. SPb.: Peter, 2016 .- 992 р . (Series "Textbook for universities").
10. Electronic resource: [http://www.snmp.ru/doku.php] Date of treatment 05/14/2018.
11. Electronic resource: [http://rus-linux.net/MyLDP/admin/snmp.html] Date of access 05/14/2018.
12. Bakharev S.A., Karasev V.V. The use of methods and means of nonlinear hydroacoustics in fishing technology. Textbook allowance. Vladivostok-Dalrybvtuz, 2001. 105 p.
13. Novikov B.K., Rudenko O.V., Timoshenko V.I. Nonlinear sonar. - L .: Shipbuilding, 1981. - 264 p.
14. Zhukov G.A., Popkov V.Ya. On methods for determining weighting coefficients for discrete addition of signals received via parallel channels // Abstracts of the VIII symposium on the problem of redundancy in information systems. Part 2. Leningrad: USSR Academy of Sciences, Leningrad Institute of Aviation Instrumentation, 1983. Р. 94-97.
15. Zhukov G.A. Methods of weighted majority processing of discrete information when receiving on parallel channels. Communication technology. Ser. TPN, 1983. Issue. 8, p. 74-84.
16. Ryzhkova D.N. Ensuring information exchange between deep-seated autonomous uninhabited underwater vehicles in a group: master's final qualification work. St. Petersburg Polytechnic University of Peter the Great. St. Petersburg, 2018. 67 р.
Статья поступила 19 августа 2019 г.
Информация об авторах
Рыжкова Дарья Николаевна - Инженер ПАО «Интелтех». г. Санкт-Петербург, Тлф.: 8(812)3131034, E-mail: d.n.ryzhkova@inbox.ru. Адрес: 197342, Россия, г.Санкт-Петербург, Кантемировская ул., 8.
Provision of information exchange in the group of deep-loaded marine robotics complexes
D.N. Ryzhkova
Annotation. Problem statement: the structure of the transmitted messages for the marine-based robotic complex (MBRC), reception and simulation of the operation of the exchange (control) protocol in the group of complexes is considered. The aim of the work is to increase the efficiency of data exchange with deeply loaded MBRC. Methods used: theoretical groundwork in the field of ensuring the exchange of information in the underwater position together with simulation of the control protocol. The novelty is the consideration of information exchange through the sonar channel in the MBRC group, which is independently controlled. The result consists in the proposed structure of the receiving modem, which provides multi-channel reception of hydroacoustic signals, as well as the model of the protocol for managing the MBRC group. Practical relevance: the proposed block diagram of the construction of a hydroacoustic modem fundamentally allows to increase the noise immunity of reception, as well as to unify the communication facilities of the MBRC. The developed model of the JSON protocol in the OMNET ++ environment can be used as the basis for further studies of the organization of managing the MBRC group.
Keywords: marine-based robotic complex, sonar channel, parametric equipment, control algorithms for the MBRC group.
Information about Authors
Ryzhkova Daria Nikolaevna - Engineer of PJSC «Inteltech». Saint-Petersburg, tel. 8 (812) 313-10-34, e-mail: d.n.ryzhkova@inbox.ru. Address: Russia, 197342, Saint-Petersburg, Kantemirovskay st, 8.
Для цитирования: Рыжкова Д.Н. Обеспечение информационного обмена в группе глубокопогруженных робототехнических комплексов морского базирования // Техника средств связи. 2019. № 4 (148). С. 83-89.
For citation: Ryzhkova D.N. Provision of information exchange in the group of deep-loaded marine robotics complexes // Means of communication equipment. 2019. No4 (148). P. 83-89. (In Russian).
