Организация пространственного движения автономного подводного аппарата при траекторном обследовании объектов, областей, физических полей

Современный этап исследования и освоения Океана, обусловленный возрастающими потребностями в решении широкого круга научных и прикладных задач, нельзя представить без использования разнообразных технических средств.

В развитии морских технологий важная роль принадлежит необитаемым подводным аппаратам (НПА): буксируемым, телеуправляемым, привязным, автономным. На первом этапе становления и развития НПА деятельность боль-шинства занимавшихся ими компаний была ориентирована на создание привязных аппаратов и соответствующих им кабельных линий связи. Последующее совершенствование техники шло от простейших аппаратов, оснащенных системами для обзора морского дна и подводных конструкций, к рабочим аппаратам, оборудованным манипуляторами и другими устройствами для сбора образцов и выполнения простейших видов работ.

Во второй половине 70-х годов наметился определенный кризис в развитии привязных НПА, стали очевидны ограничения, обусловленные наличием кабеля. Для преодоления возникших трудностей многие фирмы, имеющие опыт морских работ, стали смещать акцент на проектирование и изготовление авто-номных необитаемых аппаратов, перспективность которых возросла в связи с развитием элементной базы робототехники и средств миниатюризации. Простейшие образцы автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) с программным управлением использовались и ранее в узко специализированных работах и прикладных исследованиях. По своим функциональным возможностям они уступали привязным аппаратам, но имели ряд важных преимуществ, которые и оказались решающими при выполнении обзорно-поисковых и исследовательских работ на больших глубинах.

К концу 70-х годов опыт создания АНПА был достаточен для того, чтобы говорить о возможности перехода к многоцелевым глубоководным комплексам, оснащенным автоматизированными системами сбора и накопления информации. Можно отметить достижения таких фирм, как Канадская ISE (International Submarine Engineering), Американская NOSC (Naval Ocean Systems Center), французская IFREMER. Необходимо отметить, что библиографические сведения о разработке и использовании аппаратов данного типа являлись первоначально весьма скудными и носили, в основном, характер сообщений информационно-обзорной печати.

Работы по созданию и использованию АНПА в нашей стране были начаты в 1972 году в Институте автоматики и процессов управления Дальневосточно-t го научного центра и с 1988 года были продолжены во вновь организованном.

Институте проблем морских технологий ДВО РАН. Первый экспериментальный образец АНПА, получивший название «Скат-гео», был предназначен для проведения геодезических работ на шельфе [1,2,10]. В дальнейшем велась работа по созданию глубоководных АНПА на основе модульной технологии систем и унифицированной структуры управления [3−9].

В интенсивно развивающейся отрасли робототехники АНПА, представляющие новый класс объектов для подводных исследований, были отнесены к информационным автономным подводным роботам (АПР). Первые теоретические труды в области подводных роботов были посвящены, в основном, исследованию общих принципов проектирования и абстрактно-обобщенных моделей управления [11−12]. Некоторым вопросам гидродинамики подводного аппарата, рассматриваемого как тело, движущееся в вязкой среде, были посвящены работы [14,15]. Вместе с тем, первые теоретические попытки исследования АНПА с учетом реальных требований и функциональных особенностей систем были ограничены сравнительно простыми задачами командно-программного управления и традиционными моделями их описания [10,13,16].

Исторически наибольшее практическое значение в развитии АНПА имели обзорно-поисковые задачи. Первоначально их суть заключалась в обеспечении эхолокационной и фотографической съемки дна по площади с целью поиска и обнаружения затонувших объектов, а также в проведении различ-р ных физических измерений по характерным маршрутам и профилям. Последующая практика проведения обзорно-поисковых работ показала, что во многих случаях из-за сложности условий поиск путем «прочесывания» площади оказывается недостаточно результативным и не дает полной картины о состоянии объекта поиска. Вследствии этого возникает необходимость в детальном обследовании района с помощью специализированной съемочной аппаратуры, а сами задачи управления несколько усложнились благодаря включению в них функций обследовательского характера. Специализация аппаратов на решении подобных задач привела к появлению отдельного класса обзорно-поисковых и обследовательских АНПА, имеющих в своем составе соответствующие информационно-измерительные и навигационно-управляющие средства.

Дальнейшее развитие АНПА происходило под влиянием двух противоположных тенденций — специализации и универсализации, что, по-видимому, отражает соперничество отраслевых и общих научно-исследовательских проблем по изучению Океана.

В приведенной ниже таблице представлены наиболее значительные зарубежные разработки АНПА и разработки ИПМТ ДВО РАН, сопоставленные по назначению и, соответственно, по методам управления.

Назначение АНПА Зарубежные ИПМТ ДВО РАН.

Обзорная площадная съемка дна, поиск и обследование объектов AUSS — США ARCS, Theseus — Канада ХР- 21 — США АЕ1000 — Япония Л-1,Л-2 Р-1,Р-2.

Картографирование дна, геологоразведка NDRE — Норвегия R1 (robot) — Япония Epaulard — Франция ОКРО-6000 МТ-ГЕО CR — 01А.

Многоцелевые океанографические исследования. Odyssey — США MARIUS — Европейский консорциум МТ-88 Тифлонус SKAT-NEO (проект).

Основные характеристики перечисленных аппаратов и иллюстрации, относящиеся к ним, в том числе рабочие фрагменты и некоторые экспериментальные материалы, представлены в Приложении, а также в других разделах работы.

Обзорно-поисковые и обследовательские задачи.

Остановимся на конкретных примерах использования АНПА для выполнения различных подводных работ.

Первый опыт ИПМТ ДВО РАН по практическому применению АНПА относится к проведению глубоководных поисковых работ в Северном море в 1982;83 годах с помощью АНПА Л-2. В результате проведенных работ были получены детальные карты дна на основе эхолокационной и фотографической съемки. Обследование выполнялось путем покрытия определенной области сетью траекторий и многократного прохождения аппарата заданными галсами. С помощью гидроакустической навигационной системы (ГАНС), содержащей донные приемо-ответчики, бортовой навигационный блок и судовой вычислительный комплекс, осуществлялось слежение за траекторией движения аппарата в процессе его работы.

В дальнейшем АНПА Л-2 был оснащен системой телеуправления по гидроакустическому каналу, позволяющей выполнять дистанционную коррекцию курса и передавать ряд простых экстренных команд. В 1987 году аппарат использовался для поиска и обследования затонувшей подводной лодки в Саргассовом море, а в 1989 году подводной лодки «Комсомолец». Схема обследования ПЛ «Комсомолец» и фрагменты фотосъемки ее корпуса приведены на рис. 1.

Эффективность выполненных поисковых работ была обусловлена, прежде всего, той конструктивно-функциональной технологией, которая использовалась при создании АНПА. Однако при этом выявились и достаточно очевидные ограничения, обусловленные жесткой структурой управления и отсутствием возможности для автономной коррекции движения.

Из зарубежных обзорно-поисковых автономных подводных аппаратов (AUV I — Autonomous Underwater Vehicle) типичным примером является AUV AUSS (Advanced Unmanned Search System), созданный в 1991 году в военно-морском центре США (NOSC) [18−20]. Прототипом AUV AUSS служил аппарат EAVE-III, модифицированный на основе привязного аппарата CURV. Основное назначение AUV AUSS — эхолокационный обзор дна, поиск и фотосъемка объектов. Аппарат может быть использован в автономном и супервизорном режимах управления при длительности автономной работы до 10 часов. Аппарат оснащен гидролокаторами бокового и переднего обзора, фото и видеокамерами, устройствами обработки и документирования данных. Имеются интегральная навигационная система, содержащая гирокомпас и доплеров-> ский лаг, длинно-базовая дальномерная гидроакустическая навигационная система, гидроакустическая система связи. В [18−19] описан пример использования аппарата при поиске затонувшего самолета вблизи Калифорнии на глубине около 1300 м. Общий вид аппарата показан на рис. Ш Приложения, а на рис. 2,3 приведены схема организации работы при поиске и фрагменты высокоразрешающей эхолокационной съемки участков дна и фотосъемки затонувшего объекта.

Для управления движением аппарата первоначально использовался, в основном, супервизорный режим с передачей телеинформации по акустическому каналу связи. Автономный режим применялся преимущественно при перемещениях на относительно большие расстояния. В окончательной модификации с помощью супервизорного режима осуществлялись функции управления работой эхолокаторов и фото-видео камер, а автономный режим — для выработки навигационных данных и исполнения заданных программных действий, в частности, для выполнения несложных поисковых траекторий, малых перемещений над объектом и зависания.

Очевидно, что вследствие ограниченных возможностей акустического канала связи подобное комбинирование автономного и дистанционного режимов управления является эффективным лишь при работе аппарата на ограниченной площади и при относительно небольшой глубине.

Рис. 1. Схема обследования ПЛ «Комсомолец» и СВК с поиощью АНПА Л-2 fiUSS. TL'S IMAGE rllEFI3SG35t. Tr ". ': ¦¦ ¦

CrtJTctf on 5 2*1992 at13:08M2 in dirietory IK6p: VE41 J6WJ Ujiies •: ' 1 •.

Fts~fCR4tT Sj’CtC.i 'PSCS SSL. 4S FLS ftinat 'Зой — .

BUSS CCD IMAGE FILE C172343A, TIF. ¦, ¦

Created on 5−27−1992 at 17−38:86 tn directory IffcNDWEMB 17 420 Bytes.

CCD FORMAT? CCD .-.iPSti.SSLi JSLSL CCD ALTITUDE — 5Ut,.

Рис. 3. AUSS. Пример эхо локационной и фото-съемки затонувшего самолета.

Разработки Канадской компании ISE ориентировались на протяжении многих лет на исследование Арктического бассейна. Разработанный в конце 80-х годов AUV ARCS предназначался для обследования ледовой обстановки и выполнения гидрографических работ подо льдом на глубинах до 365 м. Аппарат оснащался системами, позволяющими обследовать площадь дна свыше 3 кв. миль, двигаясь по заданному маршруту и обходя препятствия. По завершению программы аппарат должен был возвращаться в точку базирования. Между аппаратом и ледовой базой (или судном) при небольших дистанциях устанавливалась двухсторонняя гидроакустическая связь. В 1993;95 годах опыт работы с аппаратом ARCS был использован при создании AUV Theseus, предназначавшегося для выполнения подледных исследований, обзорно-поисковых работ и укладки на дно оптического кабеля [21−23].

Использование аппарата для работы подо льдом накладывает специфические требования к системам навигации и управления движением, в особенности при повышенной автономности аппарата. В частности, необходимо, чтобы бортовой автономный навигационный комплекс вычислял с требуемой точностью локальные или географические координаты аппарата, используемые системой управления для формирования и коррекции программы движения. Необходимо также, чтобы аппарат имел возможность возвращения в исходную точку по завершению работы. К сожалению, в указанных выше работах отсутствуют данные об особенностях управления движением и программном обеспечении. Из приведенных данных можно отметить лишь общие критерии, предъявляемые к динамике аппарата, маневренности, сопротивлению, резервированию функций с учетом возможных нарушений движения вблизи дна и нижней кромки льда.

Поскольку аппарат (Рис.П2 Приложения) имеет довольно большие массу (около 9000 кг) и размеры (длина 11 м), его динамические характеристики, достигаемые при использовании носовых и хвостовых гидродинамических крыльев, значительно уступают характеристикам ряда других аппаратов, в том числе и созданных в ИПМТ ДВО РАН. В работе [21] приведен пример реализованной траектории аппарата при его испытаниях в Арктике (рис.ПЗ Приложения). Общая длина пройденного пути при испытаниях составляла 5700 м, наибольшее удаление от базы 2720 м. Хотя приведенный пример недостаточен для оценки свойств аппарата, тем не менее он дает представление о задачах управления и некоторых особенностях их реализации.

Принципиальная возможность использования АНПА для обследования протяженных объектов (подводных кабелей, трубопроводов, коммуникаций) неоднократно отмечалась в специальной литературе, однако практическая разработка наталкивается на значительные технические трудности. Примерами могут служить зарубежные AUV ХР — 21 (США), АЕ1000 (Япония).

Многоцелевой автономный аппарат ХР — 21 [34], разработанный корпорацией ART (США) на основе привязного аппарата, применялся первоначально для батиметрии и геофизических исследований. В модернизированном проекте основное назначение — обследование трубопроводов. На рис. 4 схематически показаны два варианта выполнения эхолокационной съемки с помощью аппарата — обследование дна по площади и обследование трубопровода. В первом варианте аппарат выполняет зигзагообразную траекторию (меандр) в горизонтальной плоскости, покрывая площадь вблизи донного акустического приемоответчика. С помощью ультракороткобазовой ГАНС осуществляется слежение за работой аппарата на борту обеспечивающего судна, но возможен также вариант работы аппарата без сопровождения. В опубликованных рабо-i тах не содержится, к сожалению, конкретных сведений о структуре и методах управления движением аппарата, но можно предположить, что при их выборе использованы достаточно стандартные решения.

Небольшой маневренный аппарат AUV АЕ 1000 (AquaExplorer 1000) [27−29], разработанный в 1992 году в Токийском университете, предназначен для инспекции подводных кабелей на глубинах до 1000 м. Аппарат имеет стандартный набор оборудования. Обследование кабеля осуществляется с помощью трехкомпонентного магнитометра, по сигналам которого определяются ориентация и смещение аппарата относительно кабеля. На рис. Пб Приложения показана схема работы аппарата, иллюстрирующая этапы погружения, поис-I ка и отслеживания кабеля, всплытия со сбрасыванием балласта.

При создании аппарата для поиска и обследования протяженных объектов предъявляются повышенные требования по автономности и дальности хода, что обеспечивается благодаря оптимизации энергоресурсов, ходовых и гидродинамических свойств аппарата. Кроме того, при организации структуры управления ставится задача обеспечения высокой живучести аппарата и выработки адаптивного поведения при поиске и обнаружении объекта. С помощью бортовой навигационной системы (БНС), содержащей инерциальную навигационную систему (ИНС), доплеровский абсолютный лаг, эхолокаторы и пилотажные датчики, определяются параметры угловой ориентации аппарата, параметры динамического состояния и географические координаты, причем для эпизодической коррекции координат используется информация спутниковых систем GPS или GLONAS. Система технического зрения (СТЗ), содержащая обзорные гидролокаторы, ТВ-систему с функциями обработки и распознавания видеоизображений, систему дистанционного поиска, служит для обнаружения объекта и выработки данных, необходимых для управления движением и поведением аппарата.

Очевидно, что при создании подобного «интеллектуального» аппарата объектами теоретических исследований являются принципы организации его управляющей структуры, задачи и методы управления, функциональные особенности отдельных систем.

Рис. 4. Схема работы АиУ ХР-21 при поиске и обследовании трубопровода.

В обзорно-поисковых и обследовательских АНПА эти проблемы обусловлены преимущественно необходимостью ориентирования аппарата в неизвестной среде и формированием управлений, удерживающих аппарат вблизи обследуемого объекта. При этом, как правило, к аппарату предъявляются высокие требования по маневренности и динамике.

Исследовательские и многоцелевые аппараты.

Съемка и картографирование днсЦ ?1 также батиметрические и другие измерения относились к числу наиболее важных и трудоемких задач с появления первых образцов АНПА. Первоначально постановка этих задач осуществлялась по аналогии с обзорно-поисковыми задачами на основе жесткой структуры управления и ограниченного набора программ движения. Для реализации типовых опорных программ движения в толще воды и вблизи дна с пологим рельефом использовался линейный автопилот. В частности, подобная структура получила применение в таких аппаратах как «Скат-гео» [1,2] и «Ераи1агсГ французской фирмы 1Р11ЕМЕ11 [17]. Вместе с тем очевидно, что для картографирования, батиметрии и других подобных задач недостаточно иметь набор простейших управляющих программ, необходимо, кроме того, иметь и соответствующее навигационное обеспечение, позволяющее осуществлять привязку района работы к географическим координатам, документировать измерения и проводить при необходимости повторный эксперимент. Совершенствование аппаратуры для гидрофизических измерений позволило развить способы, основанные на непрерывных измерениях вдоль некоторых параллельных профилей и прямолинейных траекторий. При этом достигается повышение как эффективности измерений, так и точности интерполяции по реализациям поля вдоль траекторий. В этом отношении можно отметить, что функциональные возможности АНПА значительно расширяют границы подобных применений. Определенный опыт в этой области был получен при разработке АНПА «Тифлонус», предназначавшегося первоначально для подледных геофизических измерений и модифицированного впоследствии для выполнения морских акустических исследований и гравиметрии.

В 1988 году в ИПМТ ДВО РАН был создан АНПА МТ-88, предназначенный для картографирования и обзора дна, проведения геофизических и геодезических, работ, поиска полезных ископаемых на больших глубинах, выполнения океанографических измерений [5]. В 1988;89 гг. по контракту с НПО «Дальморгеология» в рамках программы «Интерокеанметалл» проводились экспериментальные работы по обследованию районов залегания железомар-ганцевых конкреций (ЖМК) в Тихом океане на глубинах до 4500 м. С помощью аппарата производились точная батиметрическая эхолокационная и фото-телевизионная съемка участков дна. В процессе съемки дна за каждое погружение аппарата может быть получено 3000 фотоснимков, видеозапись изображений микрорельефа, изображения дна с помощью гидролокатора бокового обзора (ГБО).

В последующие годы АНПА МТ-88 служил прототипом для создания серии аппаратов, предназначенных для выполнения исследовательских и геологоразведочных работ. На его основе по заказу НПО «Дальморгелогия» был разработан аппарат МТ-ГЕО, в структуре управления которого были реализованы локальная микропроцессорная вычислительная сеть и специальный язык программирования высокого уровня [62−64]. В подобной же модификации были разработаны АНПА Р-1, Р-2, предназначенные для выполнения поисковых и аварийно-спасательных работ.

В 1992 году в Массачусетском технологическом институте (США) был разработан малогабаритный аппарат «Odyssey», предназначенный для океанографических измерений на глубинах до 6000 м, в частности, для проведения батиметрической съемки, в том числе и подо льдом [26]. Испытания аппарата проходили в прибрежных водах и в Антарктике.

По перспективным программам предполагается использование аппарата для изучения активных придонных источников (например, гидротермален), обследования нефтяных разработок, исследования широкомасштабных океанических структур, мониторинга водной среды.

Очевидно, что столь разнообразные применения аппарата могут быть реали-> зованы только при высоком уровне организации всей системы управления и при использовании надежных и высокоточных методов управления движением. При разработке аппарата исследовались многоуровневые и многозадачные структуры управления и адаптивные алгоритмы динамики, в частности, алгоритмы с нечеткими и скользящими режимами (fuzzy and sliding mode [77−80]).

Аналогичный принцип управления был принят в AUV MARIUS, разработка которого осуществлялась по программе международного Европейского консорциума [24,25]. Аппарат предназначен для океанографических исследований на шельфе, в частности, для съемки дна и измерения различных параметров водной среды. В структуре аппарата реализована интегральная навигационно-управляющая система, в которой информация от различных источников имеет разные частоты обновления (Multi-rate navigation), а для управления движением используется метод программной настройки коэффициентов усиления (Gain-scheduled control). Оптимизация управления осуществляется с помощью имитационной динамической модели аппарата и идентификации параметров на основе теоретических и экспериментальных результатов. Следует, однако, отметить, что при достаточно развитой общей структуре управления задачи управления движением ограничиваются, по-существу, выбором гидродинамических характеристик аппарата и стабилизацией сравнительно простых тра-f екторий.

К исследовательским аппаратам для съемки и картографирования дна можно отнести норвежский AUV NDRE [30].

Аппарат NDRE (Norvegien Defence Research Esteblishment) проектировался на основе новой энерготехнологии как универсальный дальнодействующий аппарат, предназначенный для поиска и разведки объектов, картографирования дна, инспекции трубопроводов. Для решения этих задач аппарат оснащен многолучевым дальномерным эхолокатором, измеряющим расстояния до дна в различных направлениях в секторе обзора. Положение аппарата определяется по принципу корреляционно-экстремальных навигационных систем путем сравнения полученного профиля дна с батиметрической картой. В процессе испытаний аппарата вблизи норвежских берегов отрабатывались различные варианты коррекции траекторий аппарата при картографировании дна. На рис. П8 Приложения приведен пример осуществления трассы движения аппарата по заданной батиметрической карте.

R1 робот [31] - проект AUV, разработанный Токийским университетом и корпорацией Мицуи для исследования геологических и океанологических структур. Первый этап проекта (1992;95 годы) — разработка аппарата для глубин до 400 м, второй этап (1995;98 годы) — до глубин 3000 м. Конструктивная схема аппарата и схема его использования показаны на рис. П9.

Определенный этап в разработках ИПМТ ДВО РАН составляют международные проекты, целью которых является создание новых типов АНПА на 1 основе современных технологий и исследования в области нетрадиционных перспективных применений.

В АНПА CR — 01 [109,110], созданном на основе сотрудничества между ИПМТ ДВО РАН и Шеньянским институтом автоматики (КНР) для глубоководных геологических исследований, функции управления осуществляются с помощью промышленных процессорных модулей фирмы WinSystems и специально разработанного интерфейса. В структуре системы управления использованы элементы многозадачной программной среды и отображения накапливаемой информации. Аналогичный подход к построению системы управления принят в АНПА ОКРО-бООО, созданном по совместному проекту ИПМТ ДВО РАН с Южно-корейской корпорацией DAEWOO. Более подробное описание и характеристики аппаратов приведены в Приложении, а также в других разделах работы.

Сотрудничество с французской фирмой IFREMER было посвящено разработке концепции многоцелевого аппарата для широкомасштабных океанографических измерений, в частности, для акустического профилирования дна и гравиметрии. В рамках творческого соглашения был разработан проект AUV «SKAT-NEO» [46,47], в котором предусматривалось использование средств комплексной навигации и методов управления, позволяющих осуществлять прецизионное движение аппарата.

К области нетрадиционных применений относятся проекты аппаратов TSL (Tunnel Sea Lion) и Solv-AUV.

Автономно-привязной аппарат TSL, созданный по совместному инициативному проекту с фирмой Marine Hibbard (США), предназначен для инспекции во-дозаполненных тоннелей, водоводов, но может быть использован и для обычных целей при обследовании бухт и прибрежных акваторий. Аппарат оснащен системами, позволяющими осуществлять осевое движение вдоль тоннеля и позиционирование с осмотром и визуальным отображением стенок водовода.

Солнечный" аппарат Solv-AUV, принципиальные аспекты которого исследованы в работах [49,51], разрабатывается по проекту, инициированному на основе совместного соглашения с Нью-Хемпширским университетом (США).

Проектом предусматривается использование аппарата для длительных автономных океанографических измерений в Океане в режиме регулярного всплытия на поверхность для подзарядки солнечных батарей. Использование новой энерготехнологии и нестандартной конструкции приводит также к принципиально иным решениям при выборе методов навигации и управления.

Приведенный краткий обзор зарубежных и отечественных АНПА позволяет сделать вывод о том, что в организации систем и общих принципах управления преобладающими являются тенденции к многозадачным структурам и адаптивным методам осуществления сложных пространственных движений. Разнообразие задач управления движением требует их адекватного описания и использования динамических моделей, учитывающих особенности самого аппарата как объекта управления и, кроме того, функциональные особенности систем, динамические требования и условия внешней среды. Для формирования алгоритмов управления во многих случаях требуется интегральная обработка данных, поступающих от различных систем, в частности, навигационной системы, системы технического зрения, системы поиска и обнаружения объектов.

Таким образом, мы приходим к постановке теоретической проблемы, которая включает в себя:

• исследование многозадачной структуры системы управления пространственным движением АНПА, математическую формализацию задач и динамических требований,.

• построение динамической модели пространственного движения, отражающей гидродинамические свойства АНПА и возможности идентификации параметров модели по траекторным измерениям вектора состояния,.

• исследование и разработку алгоритмов управления движением и ориентацией АНПА при осуществлении целенаправленных и корректируемых программных траекторий в толще воды и вблизи дна,.

• исследование динамических свойств системы управления (управляемости, устойчивости, точности) при изменении и адаптивной коррекции ее параметров,.

• обобщение методов и алгоритмов управления движением на определенный класс задач, составляющих суть и содержание многозадачного (многоцелевого) управления АНПА.

Решению указанной проблемы посвящена настоящая работа.

Целью работы является исследование обобщенной структуры управления движением АНПА, способов организации пространственных траекторий и алгоритмов управления движением для следующего класса задач:

— организации планомерной сети траекторий при поиске и обследовании объектов и областей пространства;

— организации целенаправленных маршрутов с выходом в заданный район и выбором трассы в условиях сложного рельефа дна;

— траекторного обследование физических полей и аномалий по их изменчивости и обобщенным ориентирам;

— адаптивной коррекции параметров управления при переменных условиях функционирования и режимах движения аппарата.

В работе впервые представлено в систематизированном виде и теоретически обобщено многообразие задач управления движением для универсального АНПА, что отражено в его структуре и методах управления движением.

В работе в достаточно полном виде отражены реальные свойства систем, навигационные и динамические требования, особенности формирования и осуществления пространственного движения аппарата в толще воды и вблизи дна.

Полученные в работе теоретические выводы основаны на опыте создания обзорно-поисковых и обследовательских АНПА в ИПМТ ДВО РАН. Работа осуществлялась на основе ряда государственных и региональных научных программ, Заданий Правительства и программам международного сотрудничества.

Полученные в работы результаты дают более общее и полное представление о задачах и методах управления пространственным движением АНПА, что позволяет использовать их при создании новых достаточно универсальных аппаратов и разработке перспективных проектов.

Таким образом, диссертация посвящена исследованию и решению новой научно-технической проблемы, имеющей важное народо-хозяйственное значение.

Автором защищаются следующие основные научные положения:

• Общая постановка проблемы организации пространственного движения многоцелевых АНПА, обобщенная структура системы управления движением;

• Модели и алгоритмы управления движением при траекторном обследовании объектов, областей и аномалий полей;

• Обобщенный алгоритм управления движением при траекторном обследовании физических полей по линейным профилям (изолиниям, эквидистантным трассам, контурам областей и объектов) и ориентирам;

• Алгоритм адаптивной коррекции и самонастройки параметров управления при переменных условиях среды и режимах движения;

• Реализация методов управления движением в действующих АНПА, созданных в ИПМТ ДВО РАН, в экспериментальных и макетных образцах систем управления и новых перспективных проектах.

Достоверность основных научных положений обеспечивается достаточно строгим обоснованием общей структуры и способов управления на основе проверенных результатов теоретических и экспериментальных исследований, использованием численных методов оценки полученных результатов, применением общепринятых допущений и формальных условий применимости методов. Достоверность полученных результатов подтверждается близким совпадением их с результатами поэтапной экспериментальной проверки: при исследовании процессов с использованием имитационной модели, на стадии отладки программного обеспечения системы управления движением, при проведении натурных морских испытаний и опытной эксплуатации комплекса систем в составе АНПА.

Различные аспекты работы отражены в ее шести главах, заключении и материалах Приложения.

В первой главе дается общая постановка проблемы управления и рассматривается обобщенная структура системы управления движением. Для ряда основных задач даются формальные математические представления, позволяющие выбрать критерии управления с жесткими или корректируемыми параметрами. При постановке задач рассматриваются режимы управления в порядке их усложнения и выработке свойств адаптивного поведения в среде.

К разряду наиболее простых и теоретически изученных относятся задачи стабилизации движения с жесткими или циклическими программными алгоритмами и линейными ограниченными управлениями. В критериях управления учитываются следующие факторы:

— наличие навигационных и динамических ошибок, минимизируемых с учетом требований к управляемости, устойчивости, точности,.

— присутствие постоянных или случайных возмущений, в том числе течений и турбулентных пульсаций скорости,.

— существование области допустимых отклонений системы при наличии собственной гидродинамической неустойчивости аппарата и физических ограничений на управляющие воздействия,.

— вариации параметров динамической модели движения и характеристик внешней среды.

Усложнение задач связано с организацией движения вблизи дна и выбором трассы целенаправленного движения по координатам заданных ориентиров. Рассматривается задача осуществления эквидистантной траектории движения с обходом и огибанием препятствий в условиях сложного рельефа дна. При целенаправленном движении критерием управления служит условие минимума ошибки коррекции траектории с учетом ошибок определения координат с помощью комплексированной навигационной системы и ошибки курсовой коррекции при постоянно действующем течении. Некоторые аналогии с другими классами управляемых объектов, например, низколетящими самолетами [67,72] и мобильными роботами [52,53], ограничиваются, как правило, лишь уровнем общей постановки задач, в решении которых существенное значение имеют особенности навигационно-управляющего процесса АНПА.

К категории наиболее сложных относятся задачи управления движением при траекторном обследовании физических полей и аномалий, ориентировании на местности, при поиске и обнаружении объектов в малой области пространства. Использование методов корреляционно-экстремальных систем [68,69] для решения подобных задач ограничено вследствие неопределенности исходной информации и может быть эффективным лишь при наличии карт, изображений, характерных элементов полей. Альтернативная постановка задачи состоит в выборе трассы движения, соответствующей характерным ориентирам, полученным в результате траекторных измерений параметров полей и идентификации вектора управления.

При обследовании объектов в малой области рассматривается задача приведения в область (точку) и позиционирования в ее окрестности. Рассматриваются также постановка задачи адаптивной коррекции параметров управления, обеспечивающих необходимые динамические свойства системы. В качестве вариантов отмечаются методы самонастройки, нечетких скользящих управлений (fuzzy sliding control) [77−80] и квазилинейной коррекции.

Вторая глава посвящена построению динамической модели движения АНПА, описывающей пространственное движение как сопряжение двух плоских движений в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Рассматриваются способы оценки и идентификации параметров модели, зависящих от сил вязкого сопротивления, сил инерционной природы и управляющих сил движительно-го комплекса. Исследуется структура имитационной модели и особенности ряда физических и программных имитаторов системы управления.

Особенности динамической модели рассматриваются во взаимосвязи углового движения и движения центра масс аппарата. Приведенные в главе способы оценки и идентификации параметров модели основаны на эмпирических зависимостях, принятых в теории гидродинамики крыла малого и конечного удлинения [85,88], и результатах измерений вектора состояния на реализациях типовых траекторий.

Таким путем получены оценки гидродинамических и инерционных характеристик для большинства аппаратов, созданных в ИПМТ ДВО РАН.

В третьей главе работы исследуются структуры и алгоритмы управления движением для соответствующих задач поиска и траекторного обследования объектов, приведенных в главе 1. Задачи, имеющие общие подходы и аналоги, образуют класс задач с подобными критериями управления. К таким задачам относятся, в частности, коррекция траекторий при целенаправленном движении вблизи дна со сложным рельефом, ориентирование при обследовании полей и аномалий, маневрирование в окрестности объекта поиска или определенного ориентира. Исследуется обобщенная процедура управления, включающая оценку параметров системы по данным траекторных измерений, выбор логики управления в зависимости от ситуации и формирование управляющих воздействий в функции основных компонент вектора состояния и компонент управляющего поля.

Для рассматриваемых классов задач представлены:

— варианты построения функциональной структуры алгоритмов управления движением,.

— аналитические выражения для формирования управляющих воздействий в различных режимах движения,.

— оценки навигационных и динамических параметров,.

— результаты моделирования процессов управления движением при различных варьируемых параметрах и условиях внешней среды,.

— экспериментальные результаты, полученные при реальной работе различных типов АНПА в процессе решения практических задач.

В четвертой главе способы организации управления движением при поиске объектов и обследовании областей обобщаются на случай траекторного обследования физических полей и аномалий, пространственная структура которых обладает характерными свойствами: изменчивостью, аномальным уровнем, наличием корреляции в геометрии поля. В известных математических постановках задачи и методах их решения, развитых в теории корреляционноэкстремальных систем, исходная информация об управляющем поле поступает в обобщенном виде (в виде карт, изображений, массивов данных) и используется для выработки оптимальных алгоритмов оценивания и траекторного управления. Применение указанных методов к задаче управления движением АНПА весьма проблематично вследствие того, что в большинстве случаев представление карты поля характеризует не исходные данные, а конечную цель обследования. В упрощенной постановке ставится задача построения отдельных реализаций поля, в частности, изолиний или иных сечений. При этом самостоятельный интерес приобретают две взаимосвязанные задачи: ориентирование по характерным элементам поля и организация движения по изолиниям. Наглядным примером постановки задачи служит организация движения в мелкомасштабном аномальном поле, создаваемом объектом поиска, в частности, в поле намагниченного объекта. Задача управления движением при целенаправленном обследовании аномалии заключается в организации и осуществлении следующих поведенческих функций и траекторий:

— обнаружении аномалии по уровню и изменчивости сигнала при маскирующем влиянии основного естественного поля,.

— покрытии аномалии сетью траекторий с коррекцией направлений и скорости по уровню поля и величине градиента,.

— оконтуривание аномальной зоны по характерным точкам или изолиниям.

Рассматриваемая модель управления основана на использовании опытных данных магнитометрических измерений и это приводит преимущественно к формированию эвристических алгоритмов коррекции движения с учетом навигационных и динамических свойств аппарата.

Результаты моделирования процессов управления движением с использованием расчетно-теоретических моделей аномалии подтверждают вывод о том, что они могут быть эффективно использованы в системах поиска. Этот вывод подтверждается также известными техническими разработками, использованными, как уже упоминалось, на аппаратах Л-2 и АЕ1000.

В обобщенной постановке данная задача распространяется на обследование произвольных физических полей, допускающих их траекторное измерение по заданным сечениям, профилям, контурам областей. Алгоритм решения задачи основан на формировании обобщенных поисковых ориентиров и управлений, обеспечивающих выход на заданную пространственную линию и ее отслеживание по изменчивости поля вдоль траектории.

В работе исследованы два взаимосвязанных варианта формирования управления. Первый вариант основан на идентификации вектора управления по результатам дискретных траекторных измерений параметров поля. Полученное при этом решение используется для коррекции программного направления движения. Процедура вычислений эквивалентна включению параметра поля в обобщенный вектор состояния. С подобным представлением связан другой вариант формирования управления. Он состоит в определении обобщенного ориентира движения и расстояния до него с использованием информации об уровне поля и его градиенте. Алгоритм управления обеспечивает выход на заданную изолинию и ее отслеживание вдоль траектории движения. В отличие от известных способов ориентирования по заданным в виде карт или массивов данных элементам полей предложенный способ не требует, во-первых, введение подобной информации и, кроме того, реализуется достаточно простыми вычислительными средствами. При этом поисковый алгоритм оперирует данными об управляющем поле, сводя задачу управления к осуществлению и коррекции программной траектории.

В главе 5 исследуются динамические свойства и задачи адаптивной коррекции управления при наличии случайных или периодических возмущений. Необходимость введения коррекции обусловлена разнообразием пространственных траекторий и режимов движения и, как следствие, изменением параметров системы в широком диапазоне. Наиболее существенными факторами являются переменность скорости, наличие противоречивых требований к устойчивости и управляемости, переменных входных воздействий и возмущений. Рассматриваемые способы коррекции управления основаны на использовании адаптивной прогнозирующей модели и квазилинейного управления с самонастройкой параметров. Эффективность алгоритмов подтверждается примерами вычислений и экспериментальных данных для конкретных реализаций управления.

Глава 6 посвящена анализу результатов практического использования исследований при создании и проектировании АНПА и их систем. Приводятся примеры практической реализации выводов работы при решении задач поиска и обследования объектов, обзорной съемки дна и траекторных измерений параметров среды. Ряд результатов по комплексированию и коррекции в навигационных системах АНПА, по осуществлению целенаправленных поисковых траекторий движения с их коррекцией использован при выполнении ряда научно-исследовательских работ и создании экспериментальных образцов систем управления, наведения и позиционирования.

В Заключении приводятся основные теоретические выводы работы и результаты их применения при создании АНПА.

Материалы Приложения содержат иллюстрации по наиболее известным зарубежным аппаратам, краткий обзор которых дан в главе 1, и аппаратам, созданным в ИПМТ ДВО РАН. Приводятся основные характеристики аппаратов и некоторые результаты их практического применения при выполнении различных подводных работ.

Выводы к главе 5.

1. Исследованы режимы движения в вертикальной плоскости (стабилизация глубины, огибание препятствий по эквидистантной траектории, зависание и др.), характеризующиеся противоречивыми требованиями к управляемости, точности и устойчивости движения при ограниченном управлении. Получены зависимости, связывающие область допустимых начальных отклонений системы «в большом» и диапазон изменения доминирующих переменных. Компромисс динамических требований достигается выбором параметров эталонной модели с постоянными параметрами и введением квазилинейной адаптивной коррекции.

2. Исследован алгоритм коррекции управления с учетом постоянных и случайных возмущений, основанный на вычислении прогнозируемого движения и обобщенного квадратичного критерия управления.

Введение

коррекции управления позволяет ослабить действие возмущений в диапазоне относительно высоких частот и ограниченных флуктуационных ускорений и повысить точность системы управления.

3. Построена структура системы коррекции управления на основе комбинированного алгоритма, включающего алгоритмы квазилинейной коррекции эталонной модели с постоянными параметрами и коррекции модели прогнозируемого движения с обобщенными возмущениями. Структура коррекции обеспечивает требуемые динамические свойства системы при наличии многих неблагоприятных факторов использованием достаточно простых вычислительных моделей и процедур.

ГЛАВА 6.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ВЫВОДОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ.

ДВИЖЕНИЕМ АНПА.

Анализируются результаты практической разработки систем управления движением при создании и опытной эксплуатации обзорно-поисковых и обследовательских АНПА. Рассматриваются технические проблемы, связанные с реализацией разработок и развитием функциональных возможностей АНПА.

Как уже отмечалось, первые практические результаты по управлению движением АНПА были связаны, в основном, с организацией жестких циклических алгоритмов и линейных структур командно-программного управления. Полученные опытные результаты использовались при создании аппаратов «Скат-гео», Л-2 (Л-1), внешний вид которых показан на рис. ШО, ПИ. Задача исследования на данном этапе заключалась в выборе конструктивных и тактико-технических параметров, обеспечивающих требуемое качество динамических процессов при стабилизации программных движений вертикального и курсового каналов. Для решения задачи была разработана модель динамики, в которой гидродинамические характеристики определялись на основе расчетно-экспериментальной методики с использованием линейной теории крыла малого удлинения и схематизированных моделей и прототипов. На стадии проектирования АНПА для оценки их динамических свойств были использованы приближенные эмпирические зависимости и экспериментальные данные испытаний макетов и моделей АНПА. Опытным путем была показана применимость используемой методики для выбора основных характеристик проектируемых аппаратов. Примеры использования данной методики приведены в главе 2. Автор работы принимал непосредстваенное участие в разработке и испытаниях систем и их отработке в процессе опытной эксплуатации АНПА первого поколения. Первоначальный опыт в этом отношении был получен при испытаниях аппарата «Скат-гео» в заливе Петра Великого Японского моря, на озере Байкал при гидрохимической съемке вблизи БЦЗ и на Белом море при проведении опытных геодезических работ в интересах ЦНИИГАиК.

Создание глубоководных АНПА Л-2 (Л-1) и всех последующих разработок для выполнения обзорно-поисковых и геологоразведочных работ (в частности, обследования ПЛ «Комсомолец» с использованием аппарата Л-2) потребовало применения более развитой системы управления, обеспечивающей выполнение целенаправленных поисковых траекторий и огибание препятствий при движении вблизи дна. Результаты исследований в этом направлении были ориентированы на реализацию программ поиска и обследования объектов и способов осуществления эквидистантного движения при сложном рельефе дна. Разработанное совместно с В. В. Никифоровым устройство управления движением по эквидистанте с огибанием препятствий дна на основе дально-мерной эхолокационной информации было защищено в виде изобретения [112] и реализовано в действующих образцах системы управления.

В АНПА Л-2 была впервые реализована модульная конструктивно-функциональная технология, что и определило в значительной мере успешность работы аппарата во всех 157 глубоководных погружениях в Филлипин-ском, Северном, Саргассовом, Норвежском морях.

Из зарубежных аналогов этого периода работ следует отметить французский АИУ «Ераи1агсГ', разработанный фирмой ШКЕМЕИ для обзорно-обследовательских геологических работ. По своим возможностям и практическому применению данный аппарат значительно уступал аппарату Л-2, судя по информации о результатах его морских испытаний [17].

Решением практических задач была обусловлена необходимость оснащения аппарата системой поиска и обнаружения затонувших объектов. Представлялось наиболее перспективным использование магнитометрической системы поиска с выделением аномальных сигналов от объектов на фоне внешнего магнитного поля. Подобная система на основе трехкомпонентного феррозон-дового магнитометра использовалась на аппарате Л-2 при проведениии ряда поисковых работ. Основная техническая проблема заключалась в повышении чувствительности магнитометрических приборов (протонных и ферро-зондовых магнитометров) на фоне изменчивого внешнего магнитного поля и собственного поля носителя. Исследования возможных способов управления движением аппарата при обследовании аномалий позволили оценить основные требования к системе и выработать общее представление о постановке задачи обследования полей и объектов. Результаты исследований применялись при выполнении спецработ.

Вместе с тем, несмотря на довольно значительные усложнения функций обзорно-поисковых аппаратов существенными оказывались ограничения, накладываемые жесткой структурой управления и, главным образом, отсутствием на аппарате автономной навигации. Возникло определенное противоречие между характером решаемых задач и возможностями осуществления более сложных пространственных движений. Попытки встраивания в структуру управления первых довольно несовершенных образцов бортовых микро-ЭВМ и интерфейсов были направлены, в основном, на увеличение надежности и живучести аппарата как автономного робота, функционирующего в сложной среде. Важность указанной проблемы проявилась в особенности при выполнении работ по созданию дальнодействующего АНПА с повышенной автономностью, в том числе и для работы подо льдом. Проведенные исследования при проектировании аппарата показали, в частности, что для его надежной работы необходимо обеспечить более высокие динамические свойства и формирование программных траекторий с автономной коррекцией и приведением аппарата в заданную точку (возвращение к базе с наведением на гидроакустический или электромагнитный маяки). Особую важность приобрела задача комплексирования и коррекции навигационной информации. Некоторые результаты исследований в этом направлении использовались при разработке АНПА «Тифлонус» (рис.П12), прототип которого предназначался первоначально для подледных геофизических измерений и был модернизирован впоследствии для выполнения морских акустических исследований и гравиметрии. Характерные конструктивные и динамические особенности аппарата были обусловлены основными требованиями — минимизацией сопротивления при движении с относительно большой скоростью (до 2.2.5 м/с) и обеспечением высокой маневренности в ситуациях с повышенной безопасностью и живучестью аппарата.

Отметим основные свойства системы управления движением и динамики АНПА «Тифлонус». Характерными являются следующие две особенности:

— использование одного маршевого поворотного движителя для сообщения заданной скорости и для управления угловым движением в двух плоскостях,.

— наличие собственной гидродинамической неустойчивости корпуса аппарата при сравнительно небольшой величине хвостовых стабилизаторов, размещенных на поворотной части движителя.

Компенсация неустойчивости по углу атаки при малом упоре движителя (20.25 Н) и угле поворота 23° осуществляется за счет дополнительных ограничений на параметры программного управления и обеспечения устойчивости «в малом» .

Иллюстрации динамических свойств аппарата в основных режимах движения приведены в Приложении на рис. П14-П17. На рис. П14 показаны переходные процессы в системе стабилизации глубины. Движение содержит участок активного погружения под действием движителя и участок горизонтального движения на глубине 20 м. Угловая скорость по дифференту дана в шкале 1.2 град/с. По оси абсцисс отложено время в аппаратных часах.

Аналогичные процессы в курсовом канале показаны на рис.П. 15. Инерционные свойства аппарата иллюстрируются рис.Шб. На последнем рисунке показан фрагмент движения аппарата после выключения двигателя с начальной скоростью 2 м/с. В процессе движения стабилизировались глубина и курс под действием гидродинамической силы на поворотном хвостовом движителе. Под действием положительной плавучести аппарата и недостаточной для ее компенсации гидродинамической силы происходит всплытие до глубины 1 м со скоростью 0.35 м/с. Затем снова включается двигатель, и аппарат переходит в обычный режим управления.

На рис. П17 приведена запись вертикальных ускорений на борту АНПА «Ти-флонус», подтверждающая принятые в главе 1 оценки по использованию аппарата в качестве платформы для гравиметрических измерений.

Приведенные выше данные по динамическим свойствам аппарата и его системы управления движением являются достаточно характерными для большинства аппаратов такого типа и могут служить своего рода эталоном при эскизной проработке аналогичных проектов.

Полученный опыт разработки и использования аппарата убеждает также в том, что специализация АНПА на решении определенного класса задач (обзорно-поисковых, научно-исследовательских), в принципе, довольно условна, и представляется возможным при соответствующем технологическом уровне обрисовать универсальный аппарат, интегрирующий в себе все многообразие существующих задач.

Исследования, проводимые в течение ряда лет по Государственной научно-технической программе «Мировой океан» [43−45], были ориентированы на разработку проектов АНПА, в системах управления которых предполагалось использование элементов искусственного интеллекта. В конкретных разработках эта проблема имела своей целью создание поисково-обследовательского (ОП) АНПА, оснащенного автономными системами навигации, управления поведением и технического зрения. В ОП АНПА последовательность режимов движения должна формироваться в соответствии с программой-заданием обобщенного вида, которая по отношению к структуре обзорно-поискового аппарата характеризуется как верхний уровень управления. В пространственном движении аппарата необходимо сочетать режимы целенаправленного выбора трассы в условиях сложного рельефа дна, коррекции траекторий, обследования областей и объектов, позиционирования в точке. В более общей постановке требовалось решение задачи ориентирования аппарата по характерным элементам рельефа или иных физических полей.

Отмеченная выше условность грани между различными типами АНПА проявляется достаточно наглядно на примерах решения задач по геологической разведке морского дна, батиметрии, исследованию микрорельефа дна и ряда других подобных задач. В принципе, идеология построения систем и методы управления движением аппаратов, ориентированных на решение различного рода геофизических и геологических задач, могут быть такими же, как и у специализированных поисково-обследовательских аппаратов. Некоторое отличие может быть только в используемом целевом исследовательском оборудовании и способах интерпретации полученных данных. Попытки подобной универсализации предпринимались в некоторых зарубежных разработках аппаратов, в частности, как уже отмечалось, при разработке AUV «Odyssey». Аналогичные работы, проводимые в ИПМТ ДВО РАН в интересах морской геологии, завершились созданием аппаратов МТ-88 (рис.П16) и его аналога МТ-ГЕО. Близким по структуре и способам управления является также АНПА Р-1(Р-2), созданный для выполнения поисковых и аварийно-спасательных работ в море.

Некоторые особенности структуры аппарата МТ-88 и примеры его практического использования отмечались во Введениии и частично в других главах работы и описаны более подробно в публикациях [5,9,111]. Основное отличие аппарата от предшествующих разработок состоит в том, что в его структуре впервые была реализована многопроцессорная система с последовательным каналом обмена данными. Это позволило организовать систему управления движением на основе планировщика программ-заданий, работающего на языке высокого уровня с использованием графической интерпретации вводимых программ и выходных данных [113]. Пример изображения программы-задания с графическим интерпретатором показан на рис. П17. Для отладки программных средств и электронных модульных систем был впервые использован имитационный стенд, содержащий комплекс физических и программных имитаторов [93]. Структура стенда и основные его характеристики описаны в главе 2. В частности, в одной из конфигураций стенд использовался для построения и отладки комплексированной навигационной системы, испытанной на борту АНПА МТ-88 [65]. В дальнейшем был разработан программный комплекс, позволяющий применять средства стенда для исследования и развития алгоритмов управления при траекторном обследовании областей, полей и аномалий. Результаты этой работы использовались также при выполнении НИР «Разум», «Клавесин-ДВО» и «Клотик-АН» [42].

Основное направление указанных работ состояло в исследовании возможностей создания многоцелевых глубоководных аппаратов и робототехнических систем с элементами искусственного интеллекта. Прикладное значение имели вопросы разработки систем дальнего и ближнего поиска, систем приведения, позиционирования и стыковки с надводными и подводными носителями. Постановка проблемы была ориентирована, во-первых, на то, что имеющийся в ИПМТ ДВО РАН опыт создания обзорно-поисковых АНПА достаточен для осуществления подобных проектов и, кроме того, при выработке технических требований к комплексу систем должна быть обеспечена его универсальность в обозримом круге задач.

Исследования и выполненные экспериментальные работы показали реальность создания аппаратов-роботов, способных ориентироваться в среде, находить объект и производить необходимые операции вблизи него. Определенный при этом класс задач упаравления движением и организации целенаправленных корректируемых пространственных траекторий основывается на разработке и использовании адаптивных критериев управления и уточненных моделей описания движения. Технические разработки включали построение макетов систем акустического и электромагнитного приведения, системы динамического позиционирования в точке или вблизи объекта. Указанные разработки осуществлялись также в рамках международных проектов, в частности, при создании автономно-привязного аппарата TSL (рис.П19) и аппарата CR — 01 (рис.П20).

Отметим наиболее значительные результаты указанных последних разработок. Прежде всего, необходимо подчеркнуть, что существенный прогресс в создании АНПА обусловлен использованием индустриальных процессорных систем и программных архитектур, позволяющих организовать достаточно сложные миссии аппарата и соответствующие пространственные движения с ориентированием в среде. Важными являются также принципиально новые возможности построения интегральной системы отображения данных и имитационных моделей [93,98,99].

Создание АНПА с большой автономностью плавания, автоматическим наведением и стыковкой на конечном участке маршрута представляет собой актуальную и достаточно сложную задачу. Результаты исследований и экспериментальных работ, полученные при выполнении НИР «Клотик-АН», дают достаточно оптимистический оценки для решения этой задачи. Отметим следующие основные выводы этой работы.

1. Автономные навигационные средства могут обеспечить точность место-определения, достаточную для приведения аппарата в заданный район встречи с объектом (носителем). Для досижения наибольшей точности навигации программа маршрута должна содержать участки движения, позволяющие осуществлять коррекцию по СНС (при эпизодическом всплытии) и коррекцию ИНС по доплеровскому лагу (при движении вблизи дна). Точность место-определения на конечном участке маршрута протяженностью несколько сот километров (от 300 до 1000 км) определяет необходимую дальность действия системы приведения. В отдельных конкретных случаях это 200.300 м (при коррекции по СНС), 5.10 км (при сочетании ИНС с доплеровским лагом), 15.25 км (при отсутствии коррекции).

2. Для ближнего наведения аппарата могут быть использованы системы гидроакустического и электромагнитного фазового пеленгования. Измерения, выполненные с помощью макетов этих систем, показывают, что данный комплекс может обеспечить устойчивое приведение в точку при начальных дистанциях 1.5.2 км и в ближней зоне 20.30 м. Для испытания системы электромагнитного прведения использовался привязной аппарат, оснащенный системой управления и позиционирования.

3. Для удержания аппарата над объектом (или возле него) целесообразно использовать систему технического зрения, содержащую секторный сканирующий эхолокатор, видеосистему и другие средства обнаружения. Система позволяет определять малые перемещения аппарата относительно объекта. Характеристики разработанного образца системы [114] оценивались на имитационном испытательном стенде с использованием диалогового режима формирования и отладки динамических изображений на IBM PC. Модернизированнная версия системы испытывалась с использованием изображений реальных объектов с учетом динамических особенностей системы управления на основе видеоданных.

4. Система позиционирования для подводного аппарата содержит комплекс подруливающих устройств. Для управления используется информация бортовых пилотажных датчиков и сигналы многоканальной дальномерной эхоло-кационной системы. При проведении натурных испытаний системы показана ее работоспособность в различных режимах (удержание в точке, стабилизация у стенки, движение вдоль стенки) и определены ее динамические характеристики (см. гл.З). Полученные результаты свидетельствуют о применимости подобной системы в качестве прототипа для системы позиционирования при стыковке. Аналогичный вариант системы реализован в АНПА С Я — 01.

Перечисленные выше результаты позволяют определить основные технические требования к системе управления АНПА при выполнении опытно-конструкторских работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Перечислим основные результаты работы.

1. Для организации пространственного движения АНПА определен класс задач траекторного обследования объектов, областей, физических полей, основанный на формировании и коррекции целенаправленных траекторий с планированием поведения и ориентированием во внешней среде. Исследованы обобщенная структура системы управления движением и особенности задач с учетом существующих динамических и навигационных требований.

2. Разработаны алгоритмы управления движением АНПА для всего многообразия задач и режимов движения при осуществлении целенаправленных маршрутов, маневрировании в ограниченной области, позиционировании вблизи объекта или заданной цели. Определены критерии управления, минимизирующие интегральные ошибки позиционной и курсовой коррекции, протяженность трассы, размеры области поисковых движений.

3. В наиболее общих задачах траекторного обследования физических полей и их аномалий обоснован принцип формирования управления по характерным элементам полей и коррекции программных траекторий на основе данных о пространственной изменчивости поля или аномалии, создаваемой объектом поиска. Алгоритм управления для решения двух взаимосвязанных задачориентирования по характерным элементам поля и организации движения по изолиниям — обеспечивает выбор ориентиров и направления движения вдоль траектории. При этом поисковый алгоритм оперирует данными об управляющем поле, сводя задачу управления к осуществлению и коррекции программной траектории.

4. Обоснован способ адаптивной коррекции и самонастройки параметров управления при изменении характеристик системы в широком диапазоне. Построена структура коррекции управления, основанная на сочетании алгоритмов квазилинейной коррекции эталонной модели с постоянными параметрами и коррекции модели прогнозируемого движения с обобщенными возмущениями. Коррекция управления обеспечивает требуемые динамические свойства системы при наличии многих неблагоприятных факторов на основе достаточно простых вычислительных моделей и процедур.

5. Полученные в работе теоретические результаты реализованы во многих практических разработках ИПМТ ДВО РАН, что подтверждается приводимыми экспериментальными данными и соответствующими прилагаемыми документами. Результаты исследований по динамике и методам осуществления программных траекторий использованы во всех практических разработках ИПМТ ДВО РАН: в АНПА «Скат-гео», Л-1 (Л-2), Р-1 (Р-2), «Тифлонус», МТ-88, СЕ — 01, ОКРО-бООО, ТБЬ.

Методы и алгоритмы комплексирования и коррекции в навигационных системах, алгоритмы осуществления целенаправленных корректируемых движений использованы в ряде научно-исследовательских работ и проектов и при создании экспериментальных образцов систем управления, наведения и позиционирования.

Наиболее общие теоретические результаты работы ориентированы на их использование в разрабатываемых и перспективных проектах.

В заключение автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность академику М. Д. Агееву, а также всем коллегам, чей коллективный труд по созданию подводных технических средств В ИПМТ ДВО РАН так или иначе сказался на результатах настоящей работы.