Введение к работе
Актуальность проблемы
В настоящее время для проведения океанографических исследований и глубоководных работ научного и прикладного значения создаются и используются разнообразные робототсхнические средства. Важную роль в развитии морских технологий и решении многих практических задач играют автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА). В Институте проблем морских технологий ДВО РАН создан комплекс технических средств, включающий автономные, буксируемые и телеуправляемые аппараты, системы навигационного обеспечения. Комплекс эффективно использовался для выполнения глубоководных поисковых работ и научных исследований, в частности, для поиска и обследования затонувших объектов, обзора и съемки дна, геологоразведки, гидрофизических измерений.
В последних разработках АНПА по международным проектам находят применение новая технология разработки систем, многопроцессорные структуры управления, системы планирования поведения (миссий) аппарата при работе в сложных условиях среды.
Из зарубежных разработок автономных подводных аппаратов (AUV) последних лет к наиболее значительным относятся разработки таких фирм как Американская NOSC, Канадская ISE, Французская IFREMER, а также проекты Европейского консорциума и ряда научных организаций США и Японии.
Разнообразием решаемых с помощью АНПА обзорно-поисковых, обследовательских и научно-исследовательских задач обусловлена тенденция к организации многозадачных (многоцелевых) структур управления и адаптивных методов осуществления сложных пространственных движений. Исследование структуры систем управления и методов организации пространственного движения АНПА относится к числу проблем, от решения которых зависят общее направление развития функциональных свойств аппаратов и, как следствие, облик аппаратов нового поколения.
Наряду с обобщением традиционных для АНПА задач и методов командно-программного управления пространственным движением актуальными являются постановка и поиск путей решения поведенческих, ситуационных задач управления, связанных с поиском и детальным обследованием (инспекцией) объектов в придонном пространстве,
ориентированием в среде при осуществлении целенаправленных протяженных маршрутов, выполнением прецизионных измерений параметров физических полей.
Цель работы
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;
траєкторного обследование физических полей и аномалий по их изменчивости и обобщенным ориентирам;
адаптивной коррекции параметров управления при переменных условиях функционирования и режимах движения аппарата.
Научная новизна
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 формализованной постановке задач и соответствующей динамической модели движения впервые 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.
В работе впервые исследованы алгоритмы управления движением АНПА при осуществлении широкого класса пространственных траекторий с автономной коррекцией координат и заданной целью движения. Исследования основаны на сочетании качественных методов теории динамических систем, численных методов решения задач управления и эвристических алгоритмов при формировании ситуационных программных движений.
Впервые исследованы алгоритмы управления движением АНПА при траекторном обследовании объектов, областей, физических полей и аномалий. Дан обобщенный подход к формированию управления при
поиске и отслеживании характерных пространственных линий (профилей) - изолиний полей, в частности, изобат, эквидистантных трасс движения, контуров областей и объектов и т.п. В отличие от известных методов ориентирования по заданным элементам полей управление строится путем формирования текущих обобщенных ориентиров на основе данных об изменчивости поля вдоль траектории движения. Это позволяет в большинстве случаев свести задачу управления к вычислению нужного поискового направления движения и его отслеживанию с ориентацией на обобщенную целевую точку.
В работе предложен способ квазилинейной и адаптивной коррекции параметров управления, отличающийся от известных способов самонастройки и нелинейной коррекции тем, что позволяет адаптировать параметры исходного эталонного управления к переменным входным воздействиям, внешним возмущениям, области допустимых начальных условий и переменным программным параметрам и режимам движения. При этом достаточно простыми вычислительными процедурами обеспечивается компромисс условий управляемости, устойчивости и точности управления.
Научная и практическая значимость
Полученные в работе теоретические выводы основаны на опыте создания обзорно-поисковых и обследовательских АНПА в ИПМТ ДВО РАН и обобщают результаты исследований и практических разработок систем управления движением АНПА "Скат-гео", Л-1 (Л-2), "Тифлонус", МТ-88, МТ-ГЕО, Р-1 (Р-2), TSL, OR- 01, ОКРО-6000 и других проектов. Работа осуществлялась в течение длительного периода на основе ряда государственных и региональных научных программ и Заданий Правительства. К их числу относятся работы по проектам ОКП "Мировой океан" (1981-95), НИР "Лортодромия-2 АН", "Лортодромия-3 ДВО" (1976-85), НИР "Разум" (1992-93), НИР "Клотик-АН" (1993-95), НИР "Клавесин-ДВО" (1992-95) и ряду других проектов специального назначения.
По программам международного сотрудничества разрабатывались проекты АНПА CR — 01 (совместно с Шеньянским Институтом автоматики Китайской Академии наук), АНПА ОКРО-6000 (совместно с корпорацией DAEWOO, Южная Корея), АНПА "Skat-Neo" (IFREMER, Франция), аппарат TSL (фирма Hibbard Marine, США). В рамках перечисленных программ и проектов осуществлялась теоретическая и практическая разработка систем управления АНПА и методов решения конкретных задач. Во всех разработках использо-
ваны теоретические выводы и результаты вычислительных экспериментов по динамике аппаратов и построению алгоритмов управления движением для выполнения обзорно-поисковых и обследовательских работ.
Полученные в работе- 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.
По всем выполняемым в ИПМТ ДВО РАН работам научно-технического направления "Подводная робототехника" автор являлся заместителем научного руководителя.
Таким образом, диссертация посвящена исследованию и решению новой научно-технической проблемы, имеющей важное народо-хозяйственное значение.
Аппробация работы
Основные результаты исследований опубликованы в 37 научных работах и докладывались на следующих конференциях, совещаниях, и семинарах:
на Всесоюзных конференциях по робототехническим системам (1975, Тольятти; 1978, Владимир; 1981, Минск; 1985, Геленджик);
на Всесоюзных конференциях "Океан" (1978,1983, Владивосток);
на научных семинарах в Институте математики и механики (1980, 1983, Свердловск), в МВТУ им.Бауыана (1984, Москва), в Институте океанологии им. П.П.Ширшова (1984, Москва), в Институте прикладной математики им. М.В.Келдыша (1984, Москва), в Московском авиационном институте им, С.Орджоникидзе (19S4), в Институте автоматики и процессов управления (1974-88, 1997, Владивосток), в Институте проблем морских технологий (1988-97, Владивосток), в Дальневосточном Государственном техническом университете (1997, Владивосток);
на научно-технических советах в/ч 40О56 (1993,1994, Москва), НТЦ "Орион" (1992, Москва);
на международных конференциях по подводным технологиям ROV'89 (19S9, Ванкувер), "Океан'94" (1994, Брест, Франция).
Структура и объем работы
Похожие диссертации на Организация пространственного движения автономного подводного аппарата при траекторном обследовании объектов, областей, физических полей
