CC BY
48УДК 551.46.07
А. С. К у ц е н к о, С. А. Егоров
ОРГАНИЗАЦИЯ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛЕУПРАВЛЯЕМОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА ПО ЗАДАННОЙ ТРАЕКТОРИИ
Приведены результаты разработки алгоритмов автоматического режима движения телеуправляемого подводного аппарата по траектории, заданной относительно неподвижного репера. Траектория задана набором точек, и организовано последовательное движение аппарата от точки к точке с выходом в конечную точку и удержанием аппарата в ее окрестности. Исследовано движение аппарата в плоскости горизонта при разных возмущающих факторах и неидеальностях навигационной системы аппарата.
E-mail: saiclex@mail.ru, sa_egorov@mail.ru
Ключевые слова: телеуправляемый подводный аппарат, алгоритм наведения.
Эффективность и безопасность решения ряда задач с помощью телеуправляемого подводного аппарата (ТПА) повышаются при реализации автоматического движения аппарата по заданной траектории. При формировании траектории учитываются параметры опасных зон (ОЗ), в которые ТПА не должен попадать.
Далее рассматриваются два алгоритма движения ТПА по заданной траектории при следующих условиях и допущениях:
— в качестве навигационной системы, определяющей декартовы координаты ТПА относительно неподвижного репера (X — направление на север, Y — вертикально вверх, Z — на восток), используется гидроакустическая навигационная система (ГАНС) с короткой базой или ультракороткой базой и гидроакустический лаг, измеряющий линейные скорости перемещения ТПА относительно дна;
— параметры заданной опорной траектории для ТПА задаются в виде точек с координатами XBi, ZBi, где i — номер опорной точки, изменяющийся в пределах 1... N (N — заданное число опорных точек). Предполагается, что необходимо удержание ТПА в окрестности последней точки с координатами XBN, ZBN. Допустимые зоны нахождения ТПА вокруг опорных точек задаются радиусом Rmin. При выходе ТПА в зону i-й точки с радиусом Rmin считаем, что ТПА вышел в окрестность данной точки В;
— параметры ОЗ задаются в виде точек Sk с координатами XSk, ZSk и радиусом Лозк для каждой ОЗ, где k — номер ОЗ, изменяющийся в пределах 1... M. Предполагается, что недопустимо нахождение ТПА в любой ОЗ. При попадании ТПА в зону Sk-й точки с радиусом Дозк считаем, что ТПА должен выйти из данной зоны. Для всех ОЗ параметр b задает направление обхода ОЗ — по часовой стрелке при b =1
или против часовой стрелки при Ь = — 1. Если данный параметр не задан (Ь = 0), то направление обхода должно выбираться автоматически по кратчайшему пути обхода ОЗ до текущей опорной точки;
— движение ТПА в вертикальной плоскости не рассматривается;
— углы дифферента и крена ТПА в процессе движения малы и рассматривается движение ТПА только в горизонтальной плоскости;
— в системе управления (СУ) ТПА отсутствуют внешние данные о направлении течения и его скорости.
Для организации движения ТПА разработаны кинематические алгоритмы, которые формируют задающие воздействия на контуры СУ ТПА в плоскости горизонта, управляя движением аппарата по маршу, лагу и курсу. В основу алгоритмов положен следующий набор элементарных движений:
— наведение ТПА на точку в плоскости горизонта;
— стабилизация ТПА в окрестности последней точки траектории;
— обход ОЗ.
Первый алгоритм осуществляет последовательное движение ТПА от первой точки траектории к следующей, пока ТПА не выйдет в последнюю точку траектории, а затем реализует удержание в окрестности последней точки траектории. Поскольку максимальная маршевая скорость ТПА обычно в несколько раз выше лаговой, то при больших рассогласованиях по координатам движение к заданной точке целесообразно проводить в двух режимах: режим 1 (наведение) — до входа ТПА в зону с радиусом Дш1п вокруг заданной точки управление осуществляется курсом и маршевой скоростью ТПА, при этом контур лага СУ отключен; режим 2 (стабилизация) — после входа ТПА в зону Дш1п стабилизируется курс аппарата, имевший место в момент входа в зону, а отработка рассогласований по координатам осуществляется маршевым и лаговым контурами. Для исключения автоколебательных переключений режимов СУ на границе зоны переключения дополнительно вводится зона с радиусом Дшах > Лт1п. При воздействии на ТПА возмущающих факторов (течение) и работе СУ в режиме 2, возможен снос аппарата от заданной точки. При сносе ТПА за пределы зоны Лшах снова включается режим 1 до входа аппарата в зону Лш1п [1].
В основу режима 1 положен классический метод наведения — метод прямого преследования (погони) [2], в котором продольная ось ТПА в каждый момент времени направляется на заданную точку в прямоугольной декартовой системе координат относительно неподвижного репера. При формировании ошибки в контуре курса реализуется алгоритм, обеспечивающий разворот ТПА на заданный курс по кратчайшему угловому расстоянию [1]. Контур марша разомкнут, сигнал на маршевые движители максимален, а знак сигнала определяется косинусом от сигнала ошибки в контуре курса, что позволяет уменьшить
радиус циркуляции ТПА. Лаговый движитель в режиме 1 не используется. В режиме 2 формируются позиционные ошибки в системе координат судна, которые далее перепроектируются на контуры марша и лага ТПА.
Движение ТПА по траектории, заданной набором точек от 1 до N, предлагается организовать следующим образом:
• режим 1 (наведение) — до входа ТПА в зону с радиусом Лш1п вокруг заданной г-й точки траектории (г = 1,..., N) управление осуществляется курсом и маршевой скоростью ТПА (контур лага СУ отключен);
• при входе ТПА в зону Лш1п г-й точки траектории, когда г < N происходит переключение управления — в контуры СУ поступают координаты следующей точки и ТПА продолжает движение в режиме 1;
• режим 2 (стабилизация) — после входа ТПА в зону Вт1п N-й точки траектории стабилизируется курс аппарата, имевший место в момент входа в зону, а отработка рассогласований по координатам осуществляется маршевым и лаговым контурами.
Второй алгоритм осуществляет последовательный выход от первой точки опорной траектории к следующей, пока ТПА не выйдет в зону Втш последней точки опорной траектории. Движение ТПА по траектории, заданной набором точек от 1 до N, осуществляется аналогично первому алгоритму, кроме случаев попадания ТПА в любую из заданных ОЗ. При попадании в зону радиуса (Воз + А) вокруг точки Бк СУ отрабатывает обход данной ОЗ до выхода ТПА в зону прямой видимости опорной точки, которую он отрабатывает в данный момент времени (А — ширина полосы вокруг зоны, заданной Возк и Бк для безопасного обхода ОЗ). На рис. 1 проиллюстрирован выход ТПА в точку с учетом опорной траектории и ОЗ. Для реализации данного алгоритма анализируются следующие параметры для всех заданных ОЗ и точки В», в зону которой должен выйти ТПА:
Одвк — текущая дистанция от ТПА до точки ОЗ;
ОвкВг — текущая дистанция от ОЗ до точки опорной траектории В»;
Елвг — текущая дистанция от ТПА до точки опорной траектории Вг;
П^кВг — пеленг от точки Бк на точку опорной траектории В»;
Пав» — пеленг от ТПА на точку опорной траектории В».
Данный алгоритм при попадании ТПА в зону, где (Воз+А) > ВАЗк, включает режим обхода ОЗ по касательной к окружности радиусом ВАЗк вокруг точки Бк по ходу часовой стрелки, если Ь = 1, против хода часовой стрелки при Ь = —1, или по кратчайшему пути от ТПА до точки В», если Ь = 0. Для выявления кратчайшего пути используется разность пеленгов ПякВ и ПАВ^: при П^^ — ПАВг > 0 выбирается
N>
N
тш
Y
О
z
Рис. 1. Выход ТПА в точку с учетом обхода ОЗ (темные стрелки — заданные воздействия на контуры СУ ТПА, N — направление на север)
обход ОЗ против хода часовой стрелки, при ПSkBi — П< 0 выбирается обход ОЗ по ходу часовой стрелки. Во избежание переключений направления обхода из-за возможной флуктуации координат ТПА относительно репера и близких по значению пеленгов и ПАВ алгоритм определения кратчайшего пути обхода ОЗ используется только в момент попадания ТПА в зону, где Яоз + А > . При попадании ТПА в зону, где Яоз > DASk, включается режим выхода из ОЗ под углом 45° к касательной к окружности радиусом вокруг точки Бк. При попадании ТПА в зону, где DSkBi > DABi, включается режим 1 наведения на точку В. В зоне, где DSkBi > DABi, случаи при Яоз + А > DASk не анализируются.
Информационно-измерительный комплекс (ИИК) ТПА предлагается построить на основе комплексирования данных ГАНС, измеряющей координаты ТПА относительно судна и гидроакустического лага, установленного на ТПА. Координаты судна относительно репера определяются по данным спутниковой навигационной системы.
Алгоритмы комплексирования строятся на основе фильтров 2-го порядка, компенсирующих медленноменяющуюся погрешность лага. Расчет параметров алгоритмов основан на детерминированном подходе к описанию погрешностей измерителей.
Работоспособность описанных алгоритмов исследована моделированием в пакете прикладных программ Ма1;1аЬ/81тиПпк с использованием математической модели системы "базовое судно-кабель-ТПА", моделей СУ и ИИК ТПА. Анализировалось влияние возмущающих
20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30
X Axis
Рис. 2. Движение ТПА по точкам траектории при наличии течения и флуктуирующей погрешности ГАНС
факторов и неидеальностей — наличие течения, медленноменяющего-ся смещения нуля в модели лага, наличие запаздывания, дискретизации по времени, флуктуирующей погрешности в модели ГАНС.
В качестве примера работы алгоритмов приведем модельную задачу организации выхода ТПА в конечную точку в обход ОЗ, заданной в виде окружности в плоскости горизонта. Вокруг ОЗ от начальной к конечной точке проложена расчетная траектория, задаваемая пятью точками. Движение ТПА организуется по первому алгоритму. На рис. 2 приведены траектории движения ТПА по заданным точкам при наличии течения и флуктуирующей погрешности ГАНС.
По результатам исследований движения ТПА можно сделать следующие выводы:
— при отсутствии течения реальные кривые движения ТПА между точками траектории близки к прямолинейным отрезкам, соединяющим эти точки. При наличии течения из-за особенности алгоритма наведения режима 1 имеют место отклонения реальной траектории от расчетной между точками траектории, что может привести к заходу ТПА внутрь ОЗ. Во избежание этого расчетную траекторию следует задавать на некотором удалении от ОЗ, гарантирующем безопасное движение ТПА при течении различной силы и направления;
— из-за ограничения силы тяги лагового движителя в конечной точке траектории СУ стремится установить ТПА против течения, что автоматически достигается переключением режимов 1 и 2. Такая особенность кинематического алгоритма позволяет максимально исполь-
зовать силу тяги маршевых движителей для удержания ТПА в окрестности конечной точки траектории при достаточно сильном течении;
— флуктуирующая погрешность в канале ГАНС, частично отфильтрованная в ИИК, проходит на выход СУ. Однако амплитуда колебаний на выходе СУ значительно меньше, чем в сигнале ГАНС, и они не оказывают существенного влияния на работоспособность системы.
— второй алгоритм упрощает задание опорной траектории.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Е г о р о в С. А. Управление движением телеуправляемого подводного аппарата в режиме совместного с носителем движения: Дисс. ... канд. тех. наук. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 361 с.
2. К у р к о т к и н В. И., Стерлигов В. Л. Самонаведение ракет. - М.: Воен-издат МО СССР, 1963. - 92 с.
Статья поступила в редакцию 23.03.2012
