gyroscopyГироскопия и навигацияGiroskopiya i Navigatsiya / Gyroscopy and Navigation0869-70352075-0927AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»10.17285/0869-7035.0036gyroscopy-432Research ArticleСтатьиПодход к реконфигурации системы управления движением автономного необитаемого подводного аппаратаApproach to Reconfiguration of Motion Control System of Autonomous Underwater VehicleМартыноваЛ. А.MartynovaL. A.

Мартынова Любовь Александровна, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник

РозенгаузМ. Б.RozengauzM. B.

Розенгауз Михаил Борисович. Кандидат технических наук, старший научный сотрудник

АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» (С.-Петербург).РоссияConcern CSRI Elektropribor, JSC, St. PetersburgRussian Federation«Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» (С.-Петербург).РоссияConcern CSRI Elektropribor, JSC, St. PetersburgRussian Federation202022012026282131146Copyright © Мартынова Л.А., Розенгауз М.Б., 20252025Мартынова Л.А., Розенгауз М.Б.Martynova L.A., Rozengauz M.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.gyroscopy.ru/jour/article/view/432

Рассмотрена задача реконфигурации системы управления движением автономного необитаемого подводного аппарата в случае возникновения отказов его органов управления и исполнительных устройств, обеспечивающих движение и маневрирование аппарата. Проанализированы особенности разнородных, работающих на различных физических принципах исполнительных устройств. Сформирована нелинейная математическая модель движения аппарата, учитывающая особенность морской среды, связанную с повышенной вязкостью. Нелинейность не позволяет использовать традиционные подходы к решению задачи реконфигурации, применяемые к летательным аппаратам. Предложен подход к реконфигурации системы управления движением автономного необитаемого подводного аппарата, который заключается в предварительном анализе условий применения разнородных исполнительных устройств в зависимости от скорости движения аппарата и его маневра. Выбор альтернативных работоспособных исполнительных устройств обусловлен необходимостью обеспечить максимально возможную степень компенсации сил и моментов, создаваемых отказавшим устройством или его приводом.Получены результаты реконфигурации системы управления движением подводного аппарата в случае отказа привода,управляющего горизонтальными носовыми рулями при выполнении маневра заглубления на разгонном участке траектории. В качестве дублирующих рассмотрены вертикальные подруливающие устройства, определены их параметры, обеспечивающие компенсацию сил и моментов отказавших заклинивших носовых горизонтальных рулей. Путем математического имитационного моделирования процесса заглубления подводного аппарата получены сравнительные количественные оценки результатов реконфигурации системы управления движением аппарата. Дальнейшие исследования связаны с применением предложенного подхода для других систем автономных необитаемых подводных аппаратов.

The article considers a problem of motion control system reconfiguration for an autonomous underwater vehicle (AUV) in the event of a failure of its controls and actuators providing the vehicle propulsion and maneuvering. The features of heterogeneous actuators based on different physical principles are analyzed. A nonlinear mathematical model of the vehicle motion is formed taking into account the peculiarity of the marine environment associated with increased viscosity. Nonlinearity does not allow us to solve the problem of reconfiguration using traditional approaches applied to the aircraft. The approach is proposed for reconfiguration of the AUV motion control system, consisting in a preliminary analysis of the conditions for using heterogeneous actuators depending on the vehicle speed and maneuver. The choice of alternative functional actuators is based on the necessity to maximize the degree of compensation of forces and moments generated by the failed device or its drive. The results of AUV motion control system reconfiguration are obtained for the case of a failure of the drive which controls the bow horizontal rudders, when performing the deepening maneuver at the acceleration area of the trajectory. Vertical thrusters are considered as backup devices, their parameters are determined, which compensate the forces and moments of failed jammed bow horizontal rudders. By way of mathematical simulation of the AUV deepening maneuver we obtained the comparative quantitative estimates of AUV motion control system reconfiguration results. Further research is concerned with the application of the proposed approach for other systems of unmanned underwater vehicles. 

Автономный необитаемый подводный аппаратсистема управления движениемреконфигурацияАutonomous underwater vehicle (AUV)motion control systemreconfigurationReferencesАпполонов Е.М., Бачурин А.А., Горохов А.И., Пономарев Л.О. О возможности и необходимости создания сверхбольшого необитаемого подводного аппарата // Сборник материалов XIII Все-Апполонов Е.М., Бачурин А.А., Горохов А.И., Пономарев Л.О. О возможности и необходимости создания сверхбольшого необитаемого подводного аппарата // Сборник материалов XIII Все-российской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления».российской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления».Ростов-на-Дону – Таганрог, ЮФУ. 2018. С.34–42.Ростов-на-Дону – Таганрог, ЮФУ. 2018. С.34–42.Лукомский Ю.А., Пешехонов В.Г., Скороходов Д.А. Навигация и управление движением судов.Лукомский Ю.А., Пешехонов В.Г., Скороходов Д.А. Навигация и управление движением судов.Элмор, СПб, 2002. 359 с.Элмор, СПб, 2002. 359 с.Ефанов Д.Е. Аналитическое решение задачи сохранения заданных характеристик устойчивостиЕфанов Д.Е. Аналитическое решение задачи сохранения заданных характеристик устойчивостивоздушного судна при реконфигурации системы управления. Диссертация. на соиск. уч..ст канд.воздушного судна при реконфигурации системы управления. Диссертация. на соиск. уч..ст канд.техн.наук. М. 2017. 139.с.техн.наук. М. 2017. 139.с.Зубов Н.Е., Микрин Е.А., Рябченко В.Н., Пролетарский А.В. Аналитический синтез законовЗубов Н.Е., Микрин Е.А., Рябченко В.Н., Пролетарский А.В. Аналитический синтез законовуправления боковым движением летательного аппарата // Известия ВУЗ. Авиационная техника.управления боковым движением летательного аппарата // Известия ВУЗ. Авиационная техника.№ 3. С. 14–20.№ 3. С. 14–20.Зубов Н.Е., Микрин Е.А., Рябченко В.Н., Ефанов Д.Е. Аналитический синтез законов управ-Зубов Н.Е., Микрин Е.А., Рябченко В.Н., Ефанов Д.Е. Аналитический синтез законов управ-ления продольным движением летательного аппарата // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер.ления продольным движением летательного аппарата // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер.«Приборостроение». 2015. №2. С. 3–14.«Приборостроение». 2015. №2. С. 3–14.Зыбин Е.Ю., Косьянчук В.В., Кульчак А.М. Аналитическое решение задачи оптимальной ре-Зыбин Е.Ю., Косьянчук В.В., Кульчак А.М. Аналитическое решение задачи оптимальной ре-конфигурации системы управления летательного аппарата при отказе нескольких органов управ-конфигурации системы управления летательного аппарата при отказе нескольких органов управ-ления // Мехатроника, автоматизация, управление. 2014. № 7. С. 59–66.ления // Мехатроника, автоматизация, управление. 2014. № 7. С. 59–66.Инсаров В.В., Тихонова С.В., Ефанов Д.Е., Пестов К.А., Халабуда А.А. Интегрированная базаИнсаров В.В., Тихонова С.В., Ефанов Д.Е., Пестов К.А., Халабуда А.А. Интегрированная базаданных для решения исследовательских задач тестирования алгоритмов систем технического зрения беспилотных летательных аппаратов // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2016. № 6 (144). С. 27–34.данных для решения исследовательских задач тестирования алгоритмов систем технического зрения беспилотных летательных аппаратов // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2016. № 6 (144). С. 27–34.Микрин Е.А., Зубов Н.Е., Рябченко В.Н., Поклад М.Н., Ефанов Д.Е. Аналитический синтезМикрин Е.А., Зубов Н.Е., Рябченко В.Н., Поклад М.Н., Ефанов Д.Е. Аналитический синтеззаконов управления продольным движением одновинтового вертолета // Автоматика и телемеханика. 1979. № 8. С. 120–128.законов управления продольным движением одновинтового вертолета // Автоматика и телемеханика. 1979. № 8. С. 120–128.Кульчак А.М., Косьянчук В.В., Зыбин Е.Ю. Реконфигурация комплексной системы управленияКульчак А.М., Косьянчук В.В., Зыбин Е.Ю. Реконфигурация комплексной системы управлениявоздушного судна при отказах приводов с учетом ограничений на управление // Научный Вестник МГТУ ГА. Т. 21. №6. 2018. С. 65–78воздушного судна при отказах приводов с учетом ограничений на управление // Научный Вестник МГТУ ГА. Т. 21. №6. 2018. С. 65–78Зыбин Е.Ю., Косьянчук В.В. Аналитический синтез многосвязных отказоустойчивых системЗыбин Е.Ю., Косьянчук В.В. Аналитический синтез многосвязных отказоустойчивых системуправления с упрощенной схемной реализацией // Известия РАН. Теория и системы управления.управления с упрощенной схемной реализацией // Известия РАН. Теория и системы управления.№ 1. С. 108–117.№ 1. С. 108–117.Shuping Hou, Jian Xu, Zheping Yan, Implementation of Autonomous Reconfigured Control for AUVShuping Hou, Jian Xu, Zheping Yan, Implementation of Autonomous Reconfigured Control for AUVBased on Fault Detection and Isolation. DOI: 10.1109/ICMA.2007.4303543.Based on Fault Detection and Isolation. DOI: 10.1109/ICMA.2007.4303543.Zhu, D., Liu, Q., Yang, Y., An Active Fault-Tolerant Control Method Of Unmanned UnderwaterZhu, D., Liu, Q., Yang, Y., An Active Fault-Tolerant Control Method Of Unmanned UnderwaterVehicles with Continuous and Uncertain Faults, International Journal of Advanced Robotic Systems,Vehicles with Continuous and Uncertain Faults, International Journal of Advanced Robotic Systems,, no.5, pp. 411–418., no.5, pp. 411–418.Yang, Z., Blanke, M., Verhagen, M., Robust control mixer method for reconfigurable control designYang, Z., Blanke, M., Verhagen, M., Robust control mixer method for reconfigurable control designusing model matching, IET Control Theory & Applications, 2007, no. 1, pp. 349–357.using model matching, IET Control Theory & Applications, 2007, no. 1, pp. 349–357.Tacconi, G., Tiano, A. Reconfigurable Control of an Autonomous Underwater Vehicle, 2002. DOI:Tacconi, G., Tiano, A. Reconfigurable Control of an Autonomous Underwater Vehicle, 2002. DOI:1109 / UUST.1989.7547401109 / UUST.1989.754740Агеев М.Д., Киселев Л.В., Матвиенко Ю.В. и др. Автономные подводные роботы: системы и технологии / под общ. ред. М.Д.Агеева. М.: Наука, 2005. 398 с.Агеев М.Д., Киселев Л.В., Матвиенко Ю.В. и др. Автономные подводные роботы: системы и технологии / под общ. ред. М.Д.Агеева. М.: Наука, 2005. 398 с.Пантов Е.Н., Махин Н.Н., Шереметов Б.Б. Основы теории движения подводных аппаратов. Л.:Пантов Е.Н., Махин Н.Н., Шереметов Б.Б. Основы теории движения подводных аппаратов. Л.:Судостроение, 1973. 209 с.Судостроение, 1973. 209 с.Кормен Т. Лейзерсон Ч., Ривестом Р., Штайн К. Алгоритмы: построение и анализ. Жадные алгоритмы (глава 16). М.: Московский центр непрерывного математического образования, 2001. С. 889–892.Кормен Т. Лейзерсон Ч., Ривестом Р., Штайн К. Алгоритмы: построение и анализ. Жадные алгоритмы (глава 16). М.: Московский центр непрерывного математического образования, 2001. С. 889–892.Король А. Движение подводной лодки в вертикальной плоскости при перекладке горизонтальных рулей. URL: https://podlodka.info/education/34-the-theory-of-submarine/358-the-movement-of-thesubmarine-in-the-vertical-plane-with-the-relaying-of-hydroplanes.html (дата обращения 17.02.2020).Король А. Движение подводной лодки в вертикальной плоскости при перекладке горизонтальных рулей. URL: https://podlodka.info/education/34-the-theory-of-submarine/358-the-movement-of-thesubmarine-in-the-vertical-plane-with-the-relaying-of-hydroplanes.html (дата обращения 17.02.2020).Юдин Ю.И., Юдин А.Ю., Мартюк Г.И. Математическое моделирование работы подруливаю-Юдин Ю.И., Юдин А.Ю., Мартюк Г.И. Математическое моделирование работы подруливаю-щего устройств // Вестник МГТУ. 2006. Том 9. №2. C.220–223.щего устройств // Вестник МГТУ. 2006. Том 9. №2. C.220–223.Мартынова Л.А. Розенгауз М.Б. К вопросу о надежности автономного необитаемого подводного аппарата с мультиагентной архитектурой системы управления // Информационно-управляющие системы. 2016. №5 (84).С. 25–34.Мартынова Л.А. Розенгауз М.Б. К вопросу о надежности автономного необитаемого подводного аппарата с мультиагентной архитектурой системы управления // Информационно-управляющие системы. 2016. №5 (84).С. 25–34.Мартынова Л.А. Метод согласованного поведения излучателя и автономных необитаемых подМартынова Л.А. Метод согласованного поведения излучателя и автономных необитаемых подводных аппаратов для эффективного ведения сейсморазведки // Информационно-управляющиеводных аппаратов для эффективного ведения сейсморазведки // Информационно-управляющиесистемы. 2017. №1 (86). С. 83–92.системы. 2017. №1 (86). С. 83–92.Мартынова Л.А. Инструментарий для исследований эффективности ведения сейсморазведкиМартынова Л.А. Инструментарий для исследований эффективности ведения сейсморазведкис использованием автономных необитаемых подводных аппаратов // Информационно-управляющие системы. 2017. №2 (87). С. 77–87.с использованием автономных необитаемых подводных аппаратов // Информационно-управляющие системы. 2017. №2 (87). С. 77–87.Мартынова Л.А., Розенгауз М.Б. Определение эффективного поведения группы АНПА в сете-Мартынова Л.А., Розенгауз М.Б. Определение эффективного поведения группы АНПА в сете-центрической системе освещения подводной обстановки // Информационно-управляющие системы. 2017. №3 (88). С. 47–57центрической системе освещения подводной обстановки // Информационно-управляющие системы. 2017. №3 (88). С. 47–57Мартынова Л.А. Решение задачи подводного наблюдения в условиях применения интеллектуальных помех // Информационно-управляющие системы. №1. 2018. С. 31–41.Мартынова Л.А. Решение задачи подводного наблюдения в условиях применения интеллектуальных помех // Информационно-управляющие системы. №1. 2018. С. 31–41.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.