Система управления ориентацией необитаемого подводного аппарата повышенной маневренности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Гаврилина Екатерина Андреевна

• Гаврилина Екатерина Андреевна
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Гаврилина Екатерина Андреевна

Перечень сокращений

Введение

Глава 1. Состояние вопроса

1.1 Задачи, выполняемые при больших углах наклона

1.1.1 Противоминные операции

1.1.2 Проведение дефектоскопии

1.1.3 Научные исследования

1.1.4 Автономные необитаемые подводные аппараты резидентного типа и специального назначения

1.1.5 Автономные необитаемые подводные аппараты класса «Микро» для работы в условиях ограниченного пространства

1.2 Основные преимущества необитаемых подводных аппаратов повышенной манёвренности

1.3 Режимы работы системы управления

1.4 Рекомендации к проектированию необитаемого подводного аппарата повышенной манёвренности

1.4.1 Требования к измерительному комплексу

1.5 Состояние вопроса построения системы управления ориентацией

Результаты и выводы первой главы

Глава 2. Математическая модель необитаемого подводного аппарата повышенной манёвренности

2.1 Системы координат

2.2 Описание кинематики необитаемого подводного аппарата

2.2.1 Кинематика углов Эйлера-Крылова

2.2.2 Модель кинематики основе углов Эйлера без ограничений

2.2.3 Расчет углов Эйлера-Крылова в особой точке

2.2.4 Кватернионы

2.3 Описание динамики необитаемого подводного аппарата

2.4 Модель движительного комплекса необитаемого подводного аппарата

2.5 Нелинейная модель необитаемого подводного аппарата в пространстве состояний

2.5.1 Модель, использующая углы Эйлера-Крылова

2.5.2 Модель, использующая кватернионы

Результаты второй главы

Глава 3. Исследование существующих подходов к построению систем управления ориентацией

3.1 Анализ традиционной системы управления при больших углах

дифферента и крена

3.1.1 Традиционные подходы к управлению ориентацией необитаемых подводных аппаратов

3.1.2 Линеаризация системы управления необитаемого подводного аппарата с нулевой метацентрической высотой

3.1.3 Исследование устойчивости системы

3.1.4 Влияние момента от силы Архимеда на устойчивость системы

3.2. Анализ альтернативных подходов к построению системы

управления ориентацией

3.3 Численные эксперименты

3.3.1 Тестовые движения

3.3.2 Исходные данные

3.3.3 Численный эксперимент традиционной системы управления

3.3.4 Численный эксперимент альтернативной системы управления

3.3.5 Результаты натурных экспериментов

Выводы по третьей главе

Глава 4. Разработка алгоритма декомпозиции для системы управления на основе углов Эйлера-Крылова

4.1 Декомпозиция системы

4.2 Приведение передаточной матрицы к диагональному виду

4.2.1 Полный декомпозирующий алгоритм

4.2.2 Упрощенный декомпозирующий алгоритм

4.2.3 Передаточная матрица и условие устойчивости

4.2.4 Влияние неточности определения параметров декомпозирующего алгоритма

4.3 Линеаризация обратной связью

4.3.1 Модель нелинейной системы в форме вход-выход

4.3.2 Закон линеаризации обратной связью

4.3.3 Упрощенный закон линеаризации обратной связью

4.4 Численные эксперименты

4.4.1 Расчет параметров алгоритмов декомпозиции

4.4.2 Работа алгоритмов на номинальной модели

4.4.3 Работа алгоритмов на модели с отклонением параметров от

номинальных

4.5 Результаты экспериментальных исследований

Выводы по четвертой главе

Глава 5. Разработка методики синтеза сепаратного канала

5.1 Структура сепаратного канала

5.2 Требования к сепаратному каналу

5.2.1 Низкая чувствительность к возмущениям со стороны других каналов

5.2.2 Запасы устойчивости

5.2.3 Низкая чувствительность к внешним возмущениям

5.2.4 Требования к показателю колебательности

5.2.5 Работоспособность системы управления с учетом существенных нелинейностей движительного комплекса

5.2.6 Работоспособность с учетом высокочастотных помех и

фильтров информационно-измерительного комплекса

5.2.7 Требования к быстродействию системы

5.3 Постановка задачи синтеза

5.4 Схема синтеза с учетом управляющей переменной

5.4.1 Обеспечение требования низкой чувствительности к внешним возмущениям

5.4.2 Обеспечение достаточных запасов устойчивости

5.4.3 Обеспечение работоспособности с учетом нелинейностей движительного комплекса

5.4.4 Обеспечение заданного быстродействия

5.5 Методика синтеза

5.6 Численный эксперимент

5.6.1 Синтез сепаратных каналов

5.6.2 Работоспособность сепаратных каналов с учетом высокочастотных помех измерительного комплекса

5.6.3 Работоспособность системы управления при отклонении параметров модели от номинальных

5.6.4 Совместная работа каналов

Выводы по пятой главе

Глава 6. Обеспечение работоспособности системы управления во всем диапазоне углов ориентации

6.1 Построение системы управления на основе углов Эйлера-

Крылова, не имеющей ограничений на углы наклона

6.1.1 Проблема вырождения кинематических уравнений

6.1.2 Неоднозначность описания ориентации

6.1.3 Схема построения системы управления не имеющей ограничений на углы наклона

6.2 Численные эксперименты для системы управления, построенной

на основе углов Эйлера

6.2.1 Тестовые движения

6.2.2 Исследование работы системы в режиме отслеживания углов Эйлера-Крылова

6.2.3 Исследование работы системы в режиме отслеживания поворотов относительно осей необитаемого подводного аппарата

6.3 Численные эксперименты для системы управления, построенной

на основе кватернионов

6.3.1 Схема построения системы управления

6.3.2 Исследование работы системы в режиме отслеживания углов Эйлера-Крылова

6.3.3 Исследование работы системы в режиме отслеживания поворотов относительно осей необитаемого подводного аппарата

6.4 Рекомендации по построению системы управления необитаемого подводного аппарата повышенной манёвренности

Выводы по шестой главе

Общие выводы и заключение

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

АНПА - автономный необитаемый подводный аппарат ВМА - винтомоторный агрегат

ЛАЧХ - логарифмическая амплитудно-частотная характеристика

НПА - необитаемый подводный аппарат

ПД - пропорционально дифференциальный

ПИД - пропорционально-интегрально-дифференцирующий

СК - система координат

СУ - система управления

ТНПА - телеуправляемый необитаемый подводный аппарат

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В настоящее время необитаемые подводные аппараты (НПА) активно используются для проведения военных, инженерных и исследовательских подводных работ. Традиционно НПА эксплуатируются при близких к нулю значениях углов наклона (дифферента и крена) [1] - [3]. Однако на практике наблюдается тенденция роста числа задач, требующих повышенной манёвренности (управляемости при любых углах ориентации). К таким задачам относятся: осмотр и идентификация миноподобных объектов [4], [5], маневрирование и осмотр объектов в условиях ограниченного пространства [6], [7] обследование тоннелей системы охлаждения ядерных реакторов [8], затопленных шахт [9], осмотр корпусов судов [10], гребных винтов, подводных конструкций [11], [12], выполнение эквидистантных манёвров в условиях сложного рельефа [13] и др. [14], [15].

Кроме того, повышенная манёвренность предоставляет дополнительные преимущества при выполнении стандартных задач [14], [11]: работоспособность в условиях ограниченного пространства, способность свободно ориентировать датчики и манипуляторы без усложнения конструкции НПА или установки дополнительного оборудования. В результате чего на данный момент разрабатывается всё больше новых НПА повышенной маневренности, например, [6], [15] - [17] и др.

Система управления (СУ) НПА повышенной манёвренности должна обеспечивать требуемое качество работы при любых наклонах по углам дифферента и крена. Однако традиционно СУ НПА используют углы Эйлера-Крылова (курс, дифферент и крен), вследствие чего имеют ряд особенностей и ограничений:

1) вырождение кинематических уравнений при угле дифферента ±90°

2) неоднозначность определения углов ориентации при угле дифферента ±90° [19];

3) ухудшение качества работы с ростом углов наклона [20].

Эти особенности препятствуют применению традиционных методов построения СУ в НПА повышенной манёвренности. При этом методики построения СУ на основе других кинематических параметров исследованы недостаточно. Несмотря на актуальность режимов движения при больших углах дифферента и крена и существование коммерчески успешных НПА повышенной манёвренности (SEA WASP [21], Double Eagle [22], Subrov [21], Sabertooth [11] и Sea Owl [11], V8 [22]), в открытом доступе отсутствуют методики построения СУ перечисленных НПА. Вследствие чего на данный момент остро встает вопрос разработки алгоритмов и методов построения СУ, обеспечивающих работоспособность НПА во всем диапазоне углов ориентации.

Степень разработанности темы. Вопрос проектирования СУ, работоспособной во всем диапазоне углов ориентации хорошо проработан для космических, летательных аппаратов и торпед. Существенный вклад в исследование внесли В.Н. Бранец, И.П. Шмыглевский [23], [24], В.Т. Грумондз, В.В. Половинкин и Г.А. Яковлев [25], Ю.Н. Челноков [26], [27], Б. Ви [28] - [31] и другие исследователи: [32] - [34]. Однако задача управления НПА имеет свои особенности: специфика математической модели (тело движется на малых скоростях в вязкой среде), особенности требований к качеству и режимам работы СУ, которые выбираются исходя из удобства эксплуатации НПА оператором, а также рекомендаций по использованию навесного оборудования. Поэтому применение подходов из смежных дисциплин требует дополнительных исследований.

Исследованиями в области построения СУ НПА, управляемых по всем степеням свободы занимались О. Э. Фьельстад и Т. Фоссен [35] - [37]. В работах рассматривалась задача управления НПА по всем степеням свободы, без ограничений на углы наклона. Подход к построению СУ был основан на работах по управлению ориентацией космических аппаратов [30], [38] - [40] а также

манипуляторов [41]. Кроме того, исследованиями в области разработки СУ НПА, управляемых по всем степеням свободы занимались Ж.Л. Антонелли [42] - [46], Р. Суарез (проект UNEXMINE, Испания) [47] - [50] и др. [51] - [53].

Однако в работах не акцентировалось внимание на исследовании работы СУ при больших (более 45°) углах наклона, вместо этого рассматривалось движение по всем степеням свободы при малых наклонах по дифференту и крену (до 20°) или для частных случаев вертикального движения при угле дифферента ±90° (НПА MARES и проект UNEXMINE). Однако опыт эксплуатации НПА показывает, что при больших углах наклона качество работы СУ ухудшается.

Можно констатировать, что на данный момент вопрос построения СУ ориентацией НПА повышенной манёвренности проработан недостаточно: отсутствуют исследования работы СУ при больших углах наклона, не определены требования к качеству и режимы работы СУ, не разработаны алгоритмы и методики, обеспечивающие требуемое качество работы при любых углах наклона.

Цель работы - разработка алгоритмов и методов построения СУ ориентацией НПА, обеспечивающих требуемое качество управления во всем диапазоне углов ориентации. Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) Обзор и анализ подводно-технических работ, для которых необходима повышенная манёвренность НПА, формирование требований к СУ.

2) Обзор и анализ существующих подходов к построению СУ, работоспособных во всём диапазоне углов ориентации.

3) Исследование особенностей работы СУ НПА при больших углах наклона.

4) Разработка алгоритмов, устраняющих ограничения, которые возникают в традиционных СУ при больших наклонах НПА.

5) Разработка методики синтеза СУ НПА повышенной манёвренности.

6) Разработка алгоритмов, обеспечивающих работоспособность традиционной СУ при любых углах ориентации НПА.

Объект исследования - НПА повышенной манёвренности.

Предмет исследования - СУ ориентацией НПА повышенной манёвренности.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1) Проведен анализ причин ухудшения качества работы СУ НПА при больших углах наклона.

2) Предложена новая структура СУ НПА, использующая алгоритм декомпозиции и регулятор сепаратного канала, имеющий низкую чувствительность к перекрестным возмущениям между каналами.

3) Предложена новая методика синтеза регулятора сепаратного канала СУ НПА, которая обеспечивает низкую чувствительность системы к возмущениям со стороны других каналов и достаточные запасы устойчивости.

4) Предложены новые алгоритмы, обеспечивающие работоспособность СУ, основанной на углах Эйлера-Крылова, во всем диапазоне углов ориентации.

Теоретическая и практическая значимость исследования. В результате проведенного исследования разработаны и испытаны алгоритмы, которые позволяют получить СУ, которая обеспечивает требуемое качество работы НПА во всем диапазоне углов ориентации, что сократит время проектирования СУ НПА повышенной манёвренности. Полученные в работе новые сведения об особенностях работы СУ НПА при больших наклонах по дифференту и крену, могут использоваться для дальнейшего исследования и повышения качества её работы. Отдельные результаты и практические рекомендации, приведенные в работе, позволят повысить качество и обойти ограничения применения традиционных СУ (основанных на углах Эйлера-Крылова), что будет способствовать использованию накопленного практического и исследовательского опыта для разработки НПА повышенной манёвренности.

Методология и методы исследования. При решении поставленных задач в работе используется аппарат теоретической механики, алгебры кватернионов, теории функций комплексного переменного, теории автоматического управления. Проверка теоретических результатов выполнялась методами математического

моделирования с использованием программного обеотечения Matlab, а также в ходе натурных экспериментальных исследований.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1) Результаты анализа особенностей работы СУ, основанных на углах Эйлера-Крылова при больших углах наклона.

2) Результаты исследования работоспособности СУ, основанной на кватернионах, при больших углах наклона.

3) Алгоритмы декомпозиции СУ НПА.

4) Методика синтеза регуляторов сепаратных каналов СУ ориентацией НПА на основе Нт - подхода.

5) Алгоритмы, обеспечивающие работоспособность СУ, основанной на углах Эйлера-Крылова, во всем диапазоне углов ориентации.

Достоверность результатов проведенного исследования подтверждается:

- корректностью использования методов теоретической механики, теории автоматического управления;

- согласованностью результатов численных экспериментов, полученных в программном обеспечении Matlab/Simulink с аналитическими выводами, сделанными в работе;

- согласованностью результатов аналитических исследований и натурных экспериментов, проведенных на НПА повышенной манёвренности «Износ», разработанном в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Апробация результатов. Основные результаты работы обсуждались на 10 научных конференциях (в том числе 4 международных) и одном научном семинаре: OCEANS (Сан-Диего и Порто, 2021), Всероссийской научно-практической конференции «Опыт и перспективы применения необитаемых подводных аппаратов» (Астрахань, 2021), International Conference on System Theory, Control and Computing (ICSTCC) (Синайя, 2020), IFAC World Congress (Берлин, 2020), Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления» и XI молодёжной школе-семинаре «Управление и обработка информации в технических системах» (Домбай, 2020), European Control Conference

(ECC19) (Неаполь, 2019), XVI Всероссийской научно-технической конференции «МСОИ-2019» (Москва, 2019), Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Научно-технологическое развитие судостроения (НТРС-2017) (Санкт-Петербург, 2017), Конференции Управление морскими и аэрокосмическими системами (УМАС 2016) (Санкт-Петербург, 2016), Молодежной научно-технической конференции «Взгляд в будущее» (Санкт-Петербург, 2016), научном семинаре лаборатории 7 «Адаптивных и робастных систем им. Я.З. Цыпкина» ИПУ РАН под руководством Б.Т. Поляка (Москва, 2018).

Публикации: Результаты диссертационной работы изложены в 14 научных публикациях [54]-[67], пять из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК РФ [54]-[58], четыре в изданиях, индексируемых в Scopus и Web of Science [59]-[62], пять - в тезисах докладов [63]-[67].

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 131 наименования.

В первой главе проведен обзор НПА повышенной манёвренности, задач, для которых они используются, а также методов построения СУ ориентацией. На основе обзора были определены режимы работы СУ и вопросы, требующие дополнительного исследования при разработке СУ НПА повышенной манёвренности, а также даны общие рекомендации по проектированию НПА.

Во второй главе приведена нелинейная и линеаризованная модель вращательного движения НПА. Проведен обзор существующих кинематических параметров, на основе которого для описания кинематики НПА в ходе численных экспериментов выбраны кватернионы. Для углов Эйлера-Крылова выбраны способы обхода ограничений кинематических уравнений и расчета углов ориентации при критических углах дифферента.

В третьей главе проводится анализ работы традиционных (на основе углов Эйлера-Крылова) и альтернативных СУ (на основе кватернионов, направляющих косинусов и др.) при больших наклонах по крену и дифференту. Для традиционного подхода получена передаточная матрица, устойчивость проанализирована на основе обобщенного критерия Найквиста, проанализировано

влияние момента от силы Архимеда на устойчивость системы, определены причины ухудшения качества работы системы с ростом углов наклона. Полученные результаты проверены в ходе численных и натурных экспериментов на НПА «Износ». На основе экспериментальных исследований выявлены причины ухудшения с качества работы альтернативных СУ с ростом углов наклона.

В четвертой главе рассматривается задача уменьшения взаимовлияний между каналами, которые появляются в традиционной СУ с ростом углов наклона. Рассматриваются алгоритмы декомпозиции, основанные на приведении передаточной матрицы к диагональному виду и линеаризация обратной связью. Проведен анализ устойчивости СУ с использованием обобщенного критерия Найквиста, анализ СУ для случая, когда параметры НПА отклоняются от номинальных значений. Работоспособность алгоритмов декомпозиции проверена в ходе численных и натурных (бассейновых) экспериментальных исследований.

В пятой главе получена методика синтеза сепаратного канала СУ ориентацией, на основе Нт - подхода, обеспечивающая низкую чувствительность к возмущениям со стороны других каналов, достаточные запасы устойчивости, требуемое быстродействие. Работоспособность СУ проверена в ходе численных экспериментов, учитывающих существенные нелинейности движительного комплекса, постоянные времени и высокочастотные помехи измерительного комплекса.

В шестой главе предложена структура СУ, основанной на углах Эйлера и работоспособной во всем диапазоне углов ориентации. Описаны алгоритмы обхода ограничений углов Эйлера. Разработаны тестовые движения для проверки работоспособности СУ при критических углах ориентации, больших пространственных разворотах. Работоспособность СУ, основанной на углах Эйлера и кватернионах проверена при отработке тестовых движений. Кроме того, в главе приводятся рекомендации по построению СУ в зависимости от приоритетных режимов работы, а также требований к её качеству.

ГЛАВА 1. Состояние вопроса

В главе проводится обзор задач, которые решаются с использованием НПА повышенной манёвренности (управляемых при любых углах дифферента и крена), а также подходов к построению СУ ориентацией, работоспособных при больших углах наклона. В результате обзора:

- определены режимы работы и требования к СУ НПА повышенной манёвренности,

- даны общие рекомендации по проектированию конструкции, составу измерительного и движительного комплекса НПА повышенной манёвренности,

- выявлены вопросы построения СУ НПА повышенной манёвренности, которые на данный момент проработаны недостаточно.

1.1 Задачи, выполняемые при больших углах наклона

В настоящее время НПА активно используются при проведении военных, инженерных и исследовательских подводных работ. При этом сфера применения подводных аппаратов расширяется, задачи усложняются, а, следовательно, появляются новые требования к НПА и их СУ. Например, традиционно НПА эксплуатируются при малых значениях углов наклона и не имеют жестких требований к СУ при больших отклонениях по дифференту и крену [1]. Однако всё чаще появляются задачи, для которых требуется работоспособность НПА во всем диапазоне углов ориентации.

1.1.1 Противоминные операции

При проведении противоминных операций решаются задачи поиска, идентификации и уничтожения миноподобных объектов. При этом мины могут дрейфовать в толще воды, располагаться на дне, быть закреплены на корпусе

корабля, стене причала и т.п. Противоминный НПА должен быть универсальным и решать задачу идентификации для разных типов объектов.

В ходе выполнения задачи идентификации НПА подплывает к миноподобному объекту и осматривает его средствами технического зрения (гидролокатором, видеокамерами) [82]. В том случае, если объект располагается в условиях ограниченного пространства, или доступ к нему затруднен (сложный рельеф дна, наличие донных конструкций), способность НПА «зависнуть» над объектом при любом угле наклона позволяет провести осмотр с близкого расстояния. Если объект расположен на дне, чтобы направить на него средства технического зрения, как это показано на Рис. 1.1, а, НПА необходимо зависнуть при большом угле дифферента. Кроме того, в таком положении НПА удерживает винтомоторные агрегаты (двигательно-движительные устройства на основе гребного винта) вдали от дна и не поднимает со дна ил и песок, которые препятствуют проведению осмотра по камерам.

В ряде случаев при проведении противоминных операций требуется осмотр не только подводной, но и надводной части конструкции, для таких задач необходимо маневрирование НПА с наклоном по углу дифферента на 90°. Пример выполнения задачи осмотра надводной части конструкции представлен на Рис. 1.1, б.

(а) (б)

Рис. 1.1. НПА SEA WASP [69] компании SAAB в ходе выполнения противоминных

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система управления ориентацией необитаемого подводного аппарата повышенной маневренности»

работ

Если миноподобный объект закреплен на поверхности, расположенной под наклоном (например, дно корабля, дно подводной конструкции), или доступ к нему затруднен, способность НПА зависать при любых углах ориентации расширяет рабочую область манипулятора и позволяет выполнить задачу с близкой дистанции. Для выполнения таких задач традиционный НПА (с малыми углами наклона) необходимо оборудовать дополнительным или более сложным многостепенным манипулятором.

Таким образом, управляемость НПА при больших углах наклона повышает эффективность проведения противоминных операций [14]. Все противоминные телеуправляемые НПА (ТНПА) международной компании SAAB SeaEye (Швеция, Англия, США) управляемы во всем диапазоне углов ориентации [68]: SeaWASP, MuMNS (Milti-Shot Mine Neutralisation System), SeaEagle, DoubleEagle. При этом возможность зависать над объектом в любом положении, при наличии течения позиционируется как одно из основных коммерческих преимуществ перечисленных ТНПА.

1.1.2 Проведение дефектоскопии

В настоящее время актуальны задачи проведения дефектоскопии корпусов судов на плаву [10], систем ядерных реакторов [8], донных конструкций [11]. Как правило для выполнения таких задач используют НПА с гибридным движительным комплексом [70]: «Износ» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Россия), RovingBat (ECA Group, Франция), Crawling НПА [8] (Hitachi, Япония), HullWiper [71] (HullWiper, Дубай) и др.

Для свободного перемещения в воде НПА использует движительный комплекс, основанный на винтомоторных агрегатах (ВМА), а для движения по исследуемой поверхности - колеса, гусеничные движители и т.п. Для того чтобы перейти в режим движения по поверхности НПА должен к ней «пристыковаться». При выполнении задачи стыковки с поверхностью НПА должен двигаться при больших наклонах по углам дифферента и крена. Поясняющий пример приведен

на Рис. 1.2, а. В процессе стыковки наклон НПА «Износ» по углу крена превышает 90°.

Кроме того, повышенная манёвренность является преимуществом при выполнении осмотра корпуса и гребных винтов судна, как это показано на примере НПА АС ROV на Рис. 1.2, б. Управляемость во всем диапазоне углов ориентации необходима для обхода препятствий, при работе в условиях ограниченного пространства. Примеры таких задач приведен в работе [8], где рассматривается задача проведения дефектоскопии и осмотра реакторных систем.

(а) (б)

Рис. 1.2. НПА, выполняющие работы по дефектоскопии (а) и осмотру (б) корпуса

судна

Можно констатировать, что управляемость НПА при больших углах наклона необходима для гибридных НПА, в задачи которых входит проведение осмотра и выполнение контактных работ на поверхностях, расположенных под наклоном.

1.1.3 Научные исследования

При решении задач океанологии, изучении гидрологии рек и озер, обследовании подводных пещер НПА выполняют задачи сбора образцов, мониторинга, сбора данных, проведения съемок рельефа дна и т.п. Повышенная манёвренность расширяет рабочую зону манипулятора и позволяет проводить сбор образцов, доступ к которым затруднен из-за особенностей рельефа (Рис. 1.3, а) или расположения. На Рис. 1.3, б приведен пример того, как управляемость при любых

углах дифферента позволяет собирать биообъекты, находящиеся на корпусе судна, а на Рис. 1.3, а приведен пример, когда большой наклон по дифференту позволяет предотвратить попадание водорослей в винтомоторные агрегаты НПА.

В работе [14] предлагается расширять рабочие углы ориентации АНПА, так как это позволит свободно позиционировать измерительные устройства и проводить 30-съемку и измерения интересующих параметров. Такой подход используется разработчиками АНПА SUNFISH (США) [6] для повышения эффективности решения задачи локализации и построения карты (SLAM) подводных пещер. АНПА оборудован гидролокатором секторного обзора и для составления панорамной гидроакустической съемки делает полный оборот по крену или проводит съемку, поворачиваясь по курсу при больших углах дифферента.

При решении задач археологии управляемость НПА при любых углах наклона необходима для:

- маневрирования и обхода препятствий в условиях ограниченного пространства [7], [6], среди подводных конструкций (например, в пещерах, затонувших кораблях и др.),

- попадания НПА в места, доступ к которым затруднен (например, заход в люк как показано на Рис. 1.3, в).

(а) (б) (в)

Рис. 1.3. Работа НПА при больших углах наклона в процессе выполнения

океанологических и археологических задач

Примеры НПА повышенной манёвренности, применяемых в археологии и научных исследованиях: V8 (OceanModules, Швеция, см. Рис. 1.3, в), Human-Sized ROV (Университет Токай, Япония, см. Рис. 1.3, а, б), АНПА Mares (Ocean Systems Group, Португалия), АНПА SUNFISH (Stone Aerospace, США). Благодаря повышенной манёвренности в 2017 году SUNFISH стал первым АНПА, выполнившим задачу обследования подводной пещерной системы лабиринтного типа Пикок-Спрингс (Флорида, США). В связи с этим, можно заключить, что управляемость при любых углах наклона повышает эффективность НПА при выполнении археологических и научных исследовательских работ.

1.1.4 Автономные необитаемые подводные аппараты резидентного типа и специального назначения

В работе [72] приведен пример АНПА - резидента для обслуживания подводных нефтяных добычных комплексов и работы в Арктическом регионе. Одно из основных требований, которое предъявлялось к функциональным возможностям АНПА при разработке - управляемость по всем степеням свободы. Требование обусловлено необходимостью выполнять контактные задачи внутри конструкций добычных комплексов, проводить осмотр с разных сторон (в том числе маневрировать под конструкциями и обследовать их дно), выполнять операции по откручиванию вентилей [12], [11], проводить стыковку с донной станцией для подзарядки аккумуляторов и передачи информации на берег. В качестве примера, на Рис. 1.4, а показан процесс откручивания вентиля НПА Sabertooth (SAAB, Швеция) при наклоне по углу крена на 90°.

В случае работы АНПА-резидента в Арктическом регионе [14], возможность маневрировать при угле дифферента 90° позволяет в ледовых условиях работы передавать данные на берег по радиоканалу, как это показано на Рис. 1.4, б. Кроме того, такой режим используется при передаче данных по радиоканалу подводными лодками, использующими ТНПА SubROV [68], [11] и АНПА - резидентами военного назначения, как это показано на Рис. 1.4, в.

(а) (б) (в)

Рис. 1.4. Примеры АНПА-резидентов: Sabertooth (а), связь по радиоканалу в условиях льдов (б), связь по радиоканалу АНПА AUSS

Описанная концепция реализована компанией SAAB в гибридном НПА Sabertooth [11], [12]. НПА активно используется для обслуживания нефтяных платформ, осмотра тоннелей гидростанций, планируется использование в арктической зоне. Повышенная манёвренность также является одной из ключевых особенностей нового АНПА-резидента AUSS для военных задач компанией Thaïes (Франция).

Режимы движения при больших углах наклона необходимы для НПА, которыми оборудуют подводные лодки. В задачи таких НПА могут входить противоминные операции, проведение осмотра корпуса подводной лодки, а также передача данных по радиоканалу. Для передачи данных по радиоканалу НПА SubROV компании SAAB принимает вертикальное положение, соответствующее углу дифферента 90°, и таким образом, приводит передающие устройства в надводное положение, как это показано на Рис. 1.5.

Рис. 1.5. ТНПА SubROV в процессе передачи данных

Таким образом, можно констатировать, что повышенная манёвренность необходима для выполнения задач современных АНПА резидентного типа и специального назначения.

1.1.5 Автономные необитаемые подводные аппараты класса «Микро» для работы в условиях ограниченного пространства

Новой тенденцией является увеличение числа разработок малогабаритных АНПА для обследования тоннелей затопленных шахт, промышленных резервуаров, труб и т.п. Одно из основных требований к таким АНПА -управляемость при любых углах ориентации.

Пример такой разработки - проект политехнического университета Мадрида - ЦЫЕХМШЕ. Задача проекта - создание АНПА для обследования тоннелей затопленных шахт [49], [48]. При этом АНПА должен проводить 3D -сканирование, создание карты тоннеля, проводить контактные измерения. Одно из требований - минимизация габаритов НПА, по этой причине датчики не дублируются и основная их часть сосредоточена в носовой части. Таким образом, при движении вдоль вертикальных участков тоннелей НПА должен двигаться с углом дифферента ±90°. Требование высокой манёвренности также вызвано работой в условиях ограниченного пространства.

Другие примеры: английский проект AVEXIS, американский - EVIE [73]. Ряд немецких университетов разрабатывает малогабаритных АНПА повышенной манёвренности для подводных мультиагентных систем. Примеры: проекты Monsun [74], HippoCampus [75]. За последние пять лет появляется новая тенденция в разработке малогабаритных НПА - высокая манёвренность, управляемость во всем диапазоне углов ориентации.

1.2 Основные преимущества необитаемых подводных аппаратов повышенной манёвренности

Анализируя задачи, для которых необходимо управление без ограничений на углы наклона, можно выделить следующие преимущества НПА повышенной манёвренности:

1) Возможность выполнения как осмотровых, так и контактных задачи в условиях ограниченного пространства (в тоннелях, нефтяных коллекторах, системах ядерных реакторов, затопленных шахтах, промышленных резервуарах, пещерах и т.п.).

2) Повышение проходимости: возможен проход НПА через люки, маневрирование среди донных конструкций и т.п.

3) Возможность зависать над объектом при любой ориентации и позиционировать рабочие инструменты наиболее удобным образом.

4) Способность свободно ориентировать датчики, проводить панорамные измерения, не усложняя конструкцию НПА дополнительными поворотными устройствами, не увеличивая габариты и не повышая стоимость.

5) Возможность быстрого погружения/всплытия АНПА (с дифферентом равным ±90°).

6) Более эффективная работа с объектами на дне (позиционирование инструментов, удержание НПА в таком положении, чтобы ВМА не поднимали взвесь, которая мешает обзору по камерам).

7) Приведение устройств, расположенных в носовой части НПА в надводное положение (приемники/передатчики, манипуляторы, камеры для осмотра надводных конструкций).

8) Проведение стыковки с объектами, свободно ориентированными в пространстве.

Управляемость во всем диапазоне углов не является обязательным условием для выполнения ряда рассмотренных задач. Они могут быть решены при следующих подходах к проектированию НПА:

- использование поворотных механизмов для камер, сонаров и других датчиков;

- дублирование датчиков и их размещение в разных частях НПА;

- уменьшение габаритов НПА;

- установка манипуляторов с большим количеством степеней свободы;

- установка нескольких манипуляторов.

Применение поворотных механизмов позволит проводить осмотр поверхностей, расположенных под наклоном, однако не решит проблему обследования объектов, расположенных в труднодоступных местах или условиях ограниченного пространства. Увеличение числа датчиков улучшает способность НПА проводить панорамную съемку, проводить мониторинг в условиях ограниченного пространства. Однако при этом увеличивается стоимость и габариты НПА.

Уменьшение габаритов НПА улучшит его проходимость и работоспособность в ограниченных пространствах. Однако такой подход также приводит к уменьшению времени автономной работы АНПА (уменьшение места для батарей), количества дополнительных устройств, мощности движительного комплекса. При этом проходимость НПА повышенной манёвренности может быть повышена за счет уменьшения площади сечения в одной плоскости. Такой подход применен при проектировании НПА Sabertooth, представленного на Рис. 1.4, а.

Выполнение контактных задач с поверхностями, которые расположены под наклоном к горизонту или над НПА (дно корабля, подводной конструкции)

затруднено при стандартном размещении манипулятора в нижней части рамы НПА. Для осуществления таких задач, без повышения манёвренности, необходимо увеличивать рабочую зону манипулятора. Расширить рабочую зону можно за счет усложнения манипулятора или установки дополнительных манипуляторов. Однако НПА повышенной манёвренности способен расширить рабочую зону манипулятора за счет изменения собственной ориентации. Примерами, подтверждающими эффективность таких решений на практике, являются НПА Sabertooth, Human-sized [76], SeaWASP и др.

В работе [14] разрабатывается новый подход к проектированию, который позволит создать управляемые при любых углах наклона, и при этом эффективные при движении на скорости АНПА. Крупный разработчик военной техники Thales предъявляет требование управляемости при больших углах наклона к новым АНПА специального назначения.

Таким образом, существуют новые типы задач, которые выполняются:

- в условиях ограниченного пространства,

- с подводными объектами, доступ к которым затруднен;

- с подводными объектами, которые расположены под наклоном.

При проектировании НПА, выполняющего задачи такого типа, требование управляемости при больших углах наклона для СУ является более перспективным решением и практически обязательным решением в сравнении с доработкой конструкции и оборудования НПА.

1.3 Режимы работы системы управления

Примеры задач, требующих управления НПА при больших углах наклона, представлены в Таблице 1 и сгруппированы в зависимости от режима работы и требований к его СУ.

Таблица 1

Режимы работы НПА при больших углах наклона

Режим работы Задачи Специфические требования

Стабилизация положения (зависание) при угле дифферента ±90° 1. Передача данных по радиоканалу (для подводных лодок, при работе в ледовых условиях и т.п.). 2. Приведение навигационной аппаратуры в надводное положение. 1. Работоспособность при углах дифферента ±90°. 2. Парирование внешних возмущений, вызванных волнением моря. 3. Работоспособность СУ при изменении параметров объекта.

Движение НПА в вертикальном положении (т.е. угол дифферента ±90°) 1. Быстрое погружение АНПА. 2. Маневрирование АНПА в вертикальном положении относительно горизонтальной плоскости. В частности, движение в условиях ограниченного пространства: пещеры, подводные конструкции т.п. 1. Работоспособность при углах дифферента ±90°; 2. Предоставление оператору понятной информации об ориентации НПА (в случае ТНПА - текущая информация, в случае АНПА - данные постобработки). 3. Входные воздействия в СУ определяются режимом движения: относительно горизонтальной плоскости или относительно объекта.

Маневрирование относительно обследуемого объекта:

Режим работы Задачи Специфические требования

1. Стыковка НПА с гибридным движительным комплексом с рабочей поверхностью. 2. Движение НПА в условиях ограниченного пространства (тоннели, затопленные шахты). 3. Движение НПА относительно обследуемого объекта (обследование стен, надводных элементов конструкций в ходе противоминных операций).

Стабилизация положения и маневрирование при больших углах дифферента (до 90°) и крена Стабилизация и маневрирование относительно горизонтальной плоскости: 1. Проведение осмотра, работа с объектом на дне (противоминные операции, отбор проб и т.п.). 2. Стыковка с рабочей поверхностью для НПА с гибридным движительным комплексом (проведение дефектоскопии корпуса судна и т.п.). 3. Маневрирование, позиционирование инструментов в условиях ограниченного пространства. 1. Высокое качество работы (отсутствие динамических ошибок в одном канале при управлении другим, быстродействие, малое перерегулирование) при одновременном повороте НПА на большие углы крена и дифферента. 2. Возможность зависать в точке в условиях течений, низкая чувствительность к внешним возмущениям.

Режим работы Задачи Специфические требования

Стабилизация и маневрирование относительно 1. Возможность зависать в точке в

объекта, расположенного под наклоном: условиях течений, низкая

1. Стыковка НПА с рабочей поверхностью, чувствительность к внешним

расположенной под наклоном при проведении возмущениям.

осмотровых работ, дефектоскопии и т.п. 2. Точность определяется

2. Маневрирование, позиционирование требованиями к задаче.

инструментов относительно рабочей поверхности. 3. Сохранение заданного качества СУ

3. Работа в условиях ограниченного пространства при любом наклоне НПА по дифференту и

(в тоннелях, затопленных шахтах). крену. 2 9

Задачи, выполняемые при больших углах наклона, сгруппированы в зависимости от ориентации, которую принимает НПА. Выделены следующие режимы:

1) стабилизация вертикального положения (при дифференте ±90°);

2) движение НПА в вертикальном положении;

3) стабилизация положения при больших углах дифферента и крена;

4) маневрирование НПА при больших углах дифферента и крена.

При этом рассмотренные задачи можно также разделить на две категории: когда НПА удерживает заданную ориентацию, маневрирует относительно горизонта, когда НПА зависает, маневрирует относительно поверхности, расположенной под наклоном. Такой подход к описанию режимов движения позволяет обобщить все задачи и рассмотреть их с точки зрения удобства эксплуатации НПА оператором.

Традиционно, когда оператор управляет НПА, то он задает желаемые углы курса, дифферента и крена. Управляющие органы на пульте оператора позволяют задавать значения этих углов. В то же время, когда проводятся операции по стыковке НПА с корпусом судна, как это показано на Рис. 1.2., а или движении НПА относительно конструкций, расположенных под наклоном к горизонту (Рис. 1.1, б), оператору сложно рассчитывать каким заданным значениям дифферента и крена будет соответствовать желаемый поворот аппарата. В таких случаях оператору удобнее задавать управляющие сигналы как заданные повороты относительно осей, связанных с НПА (отмечены голубым на Рис. 1.6).

Однако, когда НПА маневрирует с большим наклоном по дифференту или крену относительно горизонтальной плоскости (дна), как это показано на Рис. 1.1, а и Рис. 1.6 возникает ситуация, когда подход к управлению ориентацией относительно связанных осей непродуктивен. Если оператору необходимо изменить направление движения НПА в горизонтальной плоскости, то следует повернуть НПА по курсу, т.е. вокруг оси Огд, отмеченной оранжевым цветом на Рис. 1.6. Для этого необходимо, с учетом текущего наклона НПА, распределить

управляющий сигнал по курсу на соответствующие управляющие сигналы поворота вокруг осей, связанных с НПА. Это является объективно сложной задачей, которая не должна быть возложена на оператора. В такой ситуации удобнее, когда оператор изменяет заданные значение углов курса, дифферента и крена, а СУ НПА обеспечивает их отслеживание.

Рис. 1.6. НПА в процессе обследования донного объекта

На основе представленных режимов движения НПА выделены два режима работы СУ ориентацией НПА:

1) СУ ориентацией обеспечивает отслеживание заданных оператором (для ТНПА) или СУ верхнего уровня (для АНПА) углов курса, дифферента и крена (режим 1).

2) СУ ориентацией обеспечивает отслеживание заданных управляющих сигналов поворота вокруг осей связанной СК НПА (режим 2).

По аналогии выделены режимы работы СУ линейным движением НПА:

1) Управление линейным движением НПА относительно осей связанной с СК НПА.

2) Управление линейным движением относительно опорной поверхности (дна, горизонтальной плоскости, поверхности судна).

Режим работы СУ ориентацией выбирается исходя из условий эксплуатации и задач, решаемых НПА. В случае разработки универсальной платформы для военного и коммерческого применения, а также для выполнения противоминных

задач, СУ должна поддерживать оба режима. В данной работе рассматривается задача построения СУ ориентацией для каждого из режимов.

1.4 Рекомендации к проектированию необитаемого подводного аппарата повышенной манёвренности

Для обеспечения работы НПА в режимах движения, описанных в Таблице 1, необходимо:

- уменьшать метацентрическую высоту НПА;

- использовать специальные схемы построения движительного комплекса;

- использовать алгоритмы СУ, работоспособные при больших углах наклона и обеспечивающие требуемое качество во всем диапазоне углов ориентации НПА;

- использовать информационно-измерительный комплекс, не имеющий ограничений на измерение углов ориентации (т.е. не использовать жидкостные инклинометры и т.п.).

Рассмотрим способы выполнения указанных требований, чтобы уточнить класс объектов, для которых решается задача исследования.

Распространены два подхода к уменьшению метацентрической высоты: доработка конструкции или использование механизма пассивного дифферентования (кренования). НПА рабочего класса компании SAAB: SeaWASP, Sabertooth [11], [12], SubROV, DoubleEagle и т.п. конструированы так, чтобы центр масс совпадал с центром объема, а в ходе натурных испытаний была возможность вывесить аппарат и уменьшить остаточную метацентрическую высоту. Восстанавливающий момент от силы Архимеда, вызванный неточностью совмещения центров, компенсируется движительным комплексом.

В малогабаритных НПА UX-1 [49], Сокол (ИПМТ, Россия) [15], НПА, рассмотренный в работе [76], некоторых НПА для очистки корпуса судна [70] используется механизм перемещения массы (или плавучестей), который позволяет регулировать положение центра масс, совмещать его с центром объема или изменять наклон НПА. Механизм позволяет уменьшать метацентрическую высоту

в случае добавления нового оборудования на НПА, подъема со дна грузов и т.п. Однако увеличивает габариты НПА и малоэффективен для НПА класса SeaWASP, БаЬег^ооШ и т.п.

В данной работе рассматривается НПА с малой метацентрической величиной, полученной за счет совмещения центра-масс и центра объема на этапе конструирования, а основным способом управления ориентацией НПА считается движительный комплекс.

В НПА повышенной манёвренности могут использоваться три способа управления углами дифферента и крена НПА: пассивный, активный и комбинированный. При пассивном способе наклон НПА осуществляется за счет изменения положения центра масс относительно центра объема НПА. В конструкции предусмотрены механизмы, которые перемещают некоторую массу [49] или плавучести [76], [77] относительно корпуса НПА. Основное достоинство такой схемы - энергоэффективность, которая следует из отсутствия затрат энергии на удержание НПА в заданном положении. Однако пассивный подход к управлению ориентацией имеет ряд недостатков:

1) часто не обеспечивает работу во всем диапазоне углов, что связано с конструктивными ограничениями;

2) увеличивает габариты и вес НПА;

3) механизм работает медленно, не позволяет совершать быстрые манёвры;

4) для перемещения масс или плавучестей необходим дополнительный механизм;

5) механизм усложняется в случае одновременного управления креном и дифферентом.

При активном способе, управление ориентацией осуществляется за счет формирования управляющих моментов движительным комплексом НПА. Такая схема не увеличивает габариты и массу НПА, имеет лучшее быстродействие, в случае малой метацентрической высоты обеспечивает работу во всем диапазоне углов ориентации и позволяет работать в условиях течения.

Перспективным является комбинированный движительный комплекс, когда пассивный механизм изменения углов наклона уменьшает метацентрическую высоту, обеспечивая малую энергоемкость продолжительного движения НПА под наклоном, а движительный комплекс отрабатывает манёвры, заданные оператором.

1.4.1 Требования к измерительному комплексу

Измерительный комплекс должен быть работоспособен при любых углах ориентации НПА. Требование предъявляется как к датчикам, входящим в состав системы ориентации, так и к используемым алгоритмам и кинематическим параметрам. Следовательно, для рассматриваемых НПА неприменимы системы ориентации на основе инклинометров, и других датчиков, имеющих ограничения на измерение углов наклона. В рассмотренных высокоманёвренных НПА используются системы ориентации, основанные на 3 датчиках угловой скорости, 3 акселерометрах и 3 магнитометрах.

Ограничивающим фактором при выборе или разработке системы ориентации могут быть используемые кинематические параметры. Традиционно в подводной робототехнике при описании ориентации используют углы Эйлера-Крылова (курс, дифферент, крен). В то же время углы Эйлера-Крылова имеют следующие ограничения:

- неоднозначность определения ориентации при дифференте ±90° [19];

- вырождение кинематических уравнений при дифференте ±90° [78];

- скачок угла крена на 180°, когда угол дифферента близок к ±90° [79].

Ввиду недостатков углов Эйлера-Крылова используют кинематические

параметры, которые применяют при построении бесплатформенных систем ориентации космических, летательных аппаратов и торпед: вектор конечного поворота, нормированные кватернионы (или параметры Родрига-Гамильтона), классические и модифицированные параметры Родрига, матрицы направляющих косинусов, стереографические параметры. Проблема вырождения углов Эйлера-Крылова и выбор параметров ориентации затрагивает не только систему

определения ориентации, но и СУ. При всем многообразии параметров отсутствует понимание, какие из них следует использовать в НПА.

При использовании матриц направляющих косинусов (ортогональных матриц) положение тела описывается 9 параметрами, представляющими собой косинусы углов между осями связанной и базовой СК [78]. Матрицы направляющих косинусов - единственный способ представления ориентации, не имеющий проблемы неоднозначности и особых точек. По этой причине он используется при обработке данных с использованием других параметров. К недостаткам метода можно отнести высокую размерность кинематических уравнений, а также шесть уравнений связи, в соответствии с которыми необходимо корректировать переменные в процессе интегрирования, что усложняет применение метода на практике.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гаврилина Екатерина Андреевна, 2023 год

/ / /

4 5 6 ТПте (зесэ)

(в) (г)

Рис. 6.22. Переходные процессы в системе при управлении в режиме 2

Процессы имеют высокое качество, в СУ отсутствуют взаимовлияния, в отличие от результатов, полученных для СУ на основе углов Эйлера.

6.4 Рекомендации по построению системы управления необитаемого подводного аппарата повышенной манёвренности

Так как СУ, построенные на основе углов Эйлера-Крылова могут обеспечить высокое качество работы в режиме 1, но не гарантируют его в режиме 2, а СУ, основанные на альтернативных кинематических параметрах могут обеспечить высокое качество управления в режиме 2, но не гарантируют его в режиме 1, можно констатировать, что на данный момент отсутствует универсальная схема построения СУ ориентацией.

Таким образом, подход к проектированию СУ должен выбираться, исходя из анализа приоритетных режимов работы НПА и его СУ. Рекомендации по выбору закона управления, структуры, алгоритма декомпозиции и методики синтеза в зависимости от режима работы СУ и требований к точности сгруппированы в Таблице 22.

Таблица 22

Рекомендации по проектированию СУ НПА повышенной манёвренности

Режим работы СУ Допустимые динамические ошибки Схема СУ Алгоритм декомпозиции Регулятор

Отслеживание заданных углов Эйлера-Крылова (режим 1). Требования низкие (допустимы значительные динамические ошибки до 30..40 °). Схема СУ, представленная на Рис. 3.4, вычисление ошибки ориентации в соответствии с (3.54), рекомендуется использовать кватернионы. Не используется. Традиционный ПИД или ПД регулятор, закон управления -(6.13).

Ида регулятор (см. главу 5, раздел 5.5), закон управления (6.14).

Схема СУ, представленная на Рис. 3.4, вычисление ошибки в соответствии с (3.56) с алгоритмом, устранения проблемы неоднозначности [139] Не используется. Традиционный ПИД или ПД регулятор.

Ида регулятор (см. главу 5, раздел 5.5).

Режим работы СУ Допустимые динамические ошибки Схема СУ Алгоритм декомпозиции Регулятор

Схема СУ, основанной на углах Эйлера, см. Рис. 6.1. Частичная декомпозиция (4.8) с обратной связью по ф,$,у или по шх, шу, . Пример расчета - (4.54), (4.55). Практические рекомендации по настройке (4.61)-(4.63). Традиционный ПИД или ПД регулятор.

Средние требования к точности работы СУ (допустимы динамические ошибки до 5..10 °). Схема СУ, основанной на углах Эйлера, см. Рис. 6.1. Полная декомпозиция (4.5), (4.6) с обратной связью по ф,т9,у или по шх, шу, . Пример расчета параметров алгоритма - (4.52), (4.53) Традиционный ПИД или ПД регулятор.

Частичная декомпозиция (4.8) с обратной связью по шх, шу, ,.

К)

2

Режим работы СУ Допустимые динамические ошибки Схема СУ Алгоритм декомпозиции Регулятор

Линеаризация обратной связью (4.46), (4.47). Пример расчета (4.58) -(4.60).

Повышенные требования к точности (до 5° и менее). Углы Эйлера с переключением (см. Рис. 6.1). Полная декомпозиция с обратной связью по Ида регулятор (см. главу 5, раздел 5.5).

Полная или частичная декомпозиция с обратной связью по ф,т9,у.

Линеаризация обратной связью.

Отслеживание поворотов, заданных относительно Низкие (допустимы динамические ошибки до 30 °). Углы Эйлера с переключением (см. Рис. 6.1). Любой подход к декомпозиции. Традиционный ПИД или ПД регулятор.

К)

2

2

Режим работы СУ Допустимые динамические ошибки Схема СУ Алгоритм декомпозиции Регулятор

осей связанной СК (режим 2) Ида регулятор (см. главу 5, раздел 5.5).

Средние или высокие Схема СУ, представленная на Рис. 3.4, вычисление ошибки ориентации в соответствии с (3.54) или (3.56) с алгоритмом, устранения проблемы неоднозначности [139]. Не используется. Традиционный ПИД, ПД регулятор, закон управления - (6.13)

Ида регулятор (см. главу 5, раздел 5.5), закон управления (6.14).

К)

2

3

Выводы по шестой главе

Результаты, полученные в ходе исследования, позволяют сделать следующие выводы:

1) Проведённые численные эксперименты подтвердили, что предложенная в главе схема построения СУ с переключениями между подсистемами, использующими углы Эйлера-Крылова и Эйлера (см. Рис. 6.1), работоспособна при критических углах дифферента, в зоне переключения между подсистемами, а также при выполнении больших пространственных разворотов.

2) Предложенный подход к построению СУ, основанной на углах Эйлера имеет высокое качество при работе в режиме 1 , однако имеет небольшие взаимовлияния в режиме 2.

3) СУ, основанной на кватернионах, свойственна проблема взаимовлияний между каналами при работе в режиме 1 (динамические ошибки достигали 20°).

4) СУ, основанная на углах Эйлера-Крылова, рекомендуется для применения в НПА, основным режимом управления которых является режим 1, а СУ, основанная на кватернионах - для НПА, основным режимом управления которых является режим 2. Для НПА, который должен работать как в режиме 1, так и в режиме 2 с повышенными требованиями к точности, необходимо переключение между СУ, в зависимости от режима работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе выполненных исследований решена актуальная научно-практическая задача разработки алгоритмов и методов построения СУ ориентацией НПА, обеспечивающих требуемое качество управления во всем диапазоне углов ориентации.

В работе получены следующие результаты и выводы:

1) Проведен обзор подводно-технических работ, для выполнения которых необходимы НПА повышенной манёвренности. На основании обзора определены следующие режимы работы СУ:

- отслеживание заданных углов Эйлера-Крылова (режим 1);

- отслеживание поворотов, заданных относительно осей связанной с НПА системы координат (режим 2).

Кроме того, в результате обзора сформулированы общие рекомендации к проектированию НПА повышенной манёвренности.

2) Проведен обзор существующих подходов к построению СУ НПА, работоспособных во всем диапазоне углов ориентации.

3) Проведено исследование особенностей работы традиционных СУ (основанных на углах Эйлера-Крылова) при больших углах наклона. Получена обобщенная схема для исследования разных схем традиционных СУ, передаточная матрица СУ, проведен анализ устойчивости СУ, в результате чего определены причины ухудшения качества работы СУ с ростом углов наклона. Аналитические выводы подтверждаются как результатами численных, так и натурных экспериментальных исследований.

4) Проведено исследование работы СУ, построенных на кинематических параметрах, альтернативных углам Эйлера-Крылова. Определены причины ухудшения качества работы таких СУ с ростом углов наклона НПА. Проведены численные эксперименты. В результате исследования выявлено, что СУ,

основанные на альтернативных кинематических параметрах, не способны обеспечить высокое качество работы при управлении НПА в режиме 1.

5) Для СУ, основанных на углах Эйлера-Крылова, разработаны алгоритмы декомпозиции, основанные на приведении передаточной матрицы СУ к диагональному виду и линеаризации обратной связью. Даны практические рекомендации по настройке алгоритмов. Численные и натурные бассейновые экспериментальные исследования подтвердили, что алгоритмы декомпозиции повышают качество работы СУ.

6) Разработана методика синтеза регулятора сепаратного канала управления ориентацией НПА, обеспечивающего низкую чувствительность к возмущениям со стороны других каналов, достаточные запасы устойчивости и заданное быстродействие. Работоспособность методики подтверждена в ходе численных экспериментов на номинальной модели НПА, а также на модели, параметры которой отклоняются от номинальных значений в пределах 25 и 50 %.

7) Разработаны и проверены алгоритмы, обеспечивающие работоспособность традиционных СУ во всем диапазоне углов ориентации. Для проверки работоспособности алгоритмов предложено 10 тестовых движений, включающих работу в окрестности особой точки, при выполнении больших пространственных разворотов.

8) Приведены рекомендации к выбору структуры и алгоритмов СУ НПА повышенной манёвренности в зависимости от приоритетных режимов работы НПА (см. Таблицу 22).

9) Тестирование работы СУ, основанных на кватернионах и углах Эйлера-Крылова, показало, что:

- СУ, основанные на углах Эйлера-Крылова, построенные с учетом рекомендаций, приведенных в работе, сохраняют требуемое качество при любых углах наклона НПА, в режиме 1, однако в системе появляются взаимовлияния между каналами, при работе в режиме 2;

- СУ, основанные на кватернионах, сохраняют высокое качество при любых наклонах НПА в режиме 2, однако качество их работы ухудшается в режиме 1, так

как динамические ошибки, вызванные управлением по другим каналам, увеличиваются с ростом углов наклона НПА.

Таким образом, при проектировании СУ НПА повышенной манёвренности рекомендуется определить приоритетный режим работы НПА, на основе которого выбирать структуру и алгоритмы СУ (см. Таблицу 22). В случае НПА, который имеет повышенные требования к точности как в режиме 1, так и в режиме 2, необходимо реализовать оба вида СУ (на основе углов Эйлера-Крылова и кватернионов) и переключаться между ними в зависимости от выбранного режима работы.

В целом, разработанные в диссертации алгоритмы и методы позволяют получить СУ, которая обеспечивает требуемое качество работы НПА во всем диапазоне углов ориентации, что сократит время проектирования НПА повышенной манёвренности. Отдельные результаты данной работы, (алгоритмы декомпозиции, алгоритмы обхода ограничений для СУ на основе углов Эйлера) могут применяться для повышения качества работы существующих СУ. Методика синтеза сепаратных каналов может также применяться для повышения качества СУ как НПА, управляемых при любых углах наклона, так и для традиционных НПА.

Для дальнейших исследований представляет интерес:

1) решение задачи идентификации для повышения качества работы алгоритмов декомпозиции, синтеза, применения полученных результатов в контексте фреймворка управления с прогнозирующими моделями (Model Predictive Control) и др.

2) разработка алгоритмов управления перемещением НПА при любых углах наклона в режимах: отслеживания управляющих сигналов относительно осей СК, связанной с НПА, а также управляющих сигналов, заданных относительно базовой СК.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Костенко В. В., Михайлов Д.Н. Разработка телеуправляемого подводного аппарата МАКС-300 // Подводные исследования и робототехника. 2012. №2 1. С. 36-46.

2. A new ROV design: Issues on low drag and mechanical symmetry / Gomes R. M. F et al. // Europe Oceans 2005. 2005. V. 2. P. 957-962.

3. Агеев М.Д, Касаткин Б.А., Киселев Л.В. Автоматические подводные аппараты. Спб.: Судостроение, 1981. 224 С.

4. Reed S., Wood J., Haworth C. The Detection and Disposal of IED Devices within Harbor Regions using AUVs, smart ROVs and Data Processing // 2010 International WaterSide Security Conference. 2010. P. 1-7.

5. Hanssen P. An Autonomous Vehicle for more Efficient Ocean-bottom Surveys // Second EAGE Marine Acquisition Workshop. 2020. P. 1-5.

6. SUNFISH ® : A human-portable exploration AUV for complex 3D environments / Richmond K et al. // OCEANS 2018 MTS/IEEE Charleston. 2018. P. 1-9.

7. Control and guidance of a hovering AUV pitching up or down / Ferreira B et al. // 2012 OCEANS. 2012. P. 1-7.

8. Mori H, Kikuchi T. Performance Verification of Underwater Crawling Swimming Robot with Attitude Changing Function // Electronics and Communication in Japan. 2017. V. 100, I. 10. P. 70-81.

9. Lopes L. «UNEXMIN: Developing an autonomous underwater explorer for flooded mines // Energy Procedia. 2017. V. 125. P. 41-49.

10. Роботизированная технология освидетельствования подводной части судна / Вельтищев В. В. [и др.] // Подводные исследования и робототехника. 2016. №. 1(21). С. 15-24.

11. Johansson B., Siesjo J., Furuholmen M. Seaeye Sabertooth, A Hybrid AUV/ROV Offshore System // OCEANS 2010 MTS/IEEE SEATTLE. 2011. P. 1-11.

12. Siesjo J. Sabertooth a Seafloor Resident Hybrid AUV/ROV System for Long Term Deployment in Deep Water and Hostile. // Underwater Intervention Conference. 2013. V. 1. I. 13. P. 1-13.

13. Киселев Л.В., Костенко В.В., Медведев А.В. Управление движением и динамика гибридного подводного аппарата при патрулировании морских акваторий по эквидистантным траекториям в сложном рельефе дна. // Подводные исследования и робототехника. 2021. №. 3 (37). C. 46-56.

14. Bhat S., Stenius S. Hydrobatics: A Review of Trends, Challenges and Opportunities for Efficient and Agile Underactuated AUVs. // 2018 IEEE/OES Autonomous Underwater Vehicle Workshop (AUV). 2018. P. 1-8.

15. Малогабаритный ТНПА повышенной маневренности с регулированием остойчивости / Быканова А. Ю. [и др.] // Подводные исследования и робототехника. 2019. №3(29). С. 4-12.

16. Guidance for autonomous underwater vehicles in confined semistructured environments / Milosevic Z. et al. // Sensors. 2020. № 24. P. 7237.

17. HippoCampusX-A Hydrobatic Open-source Micro AUV for Confined Environments / Duecker D. A. et al. // 2020 IEEE/OES Autonomous Underwater Vehicles Symposium (AUV). 2020. P. 1-6.

18. Stuelpnagel J. On the Parametrization of the Three-Dimensional Rotation Group. // SIAM Review. 1964. V. 6. № 4. P. 422-430.

19. Журавлев В.Ф. Основы теоретической механики. М.: МФТИ, 2008. 304 C.

20. Егоров С.А., Куценко А.С. Особенности построения системы управления угловой ориентацией телеуправляемого подводного аппарата. // Современные методы и средства океанологических исследований. Материалы X Международной научно-технической конференции. 2007. Ч. 2. С. 127-129.

21. Hollosi C. Jane's Unmanned Maritime Vehicles and Systems Issue Four - 2010. UK: IHS Jane's, 2010. P. 404.

22. Slocombe G. Deployable mine countermeasures // Asia Pacific Defence Reporter. 2019. № 45. V. 4. P. 20-23.

23. Бранец В.Н., Шмыглевский И.П. Применение кватернионов в задачах ориентации твердого тела. М.: Наука, 1973. 320 C.

24. Бранец В.Н., Шмыглевский И.П. Введение в теорию бесплатформенных инерциальных навигационных систем. М.: Наука, 1992. 280 С.

25. Грумондз В.Т., Половинкин В.В., Яковлев Г.А. Теория движения двусредных аппаратов. Математические модели и методы исследования. М.: Вузовская книга, 2012. 644 C.

26. Челноков Ю.Н. Кватернионные модели и методы динамики, навигации и управления движением. М: ФИЗМАТЛИТ, 2011. 556 С.

27. Челноков Ю.Н. Кватернионное решение кинематических задач управления ориентацией твердого тела: уравнения ошибок, законы и алгоритмы коррекции (стабилизации) // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. 1994. № 4. С. 3-12.

28. New approach to attitude/momentum control for the Space Station / Wie B. et al. // Journal Guidance Control Dynamics. 1989. V. 12. № 5. P. 714-722.

29. Wie B., Barba P.M. Quaternion feedback for spacecraft large angle maneuvers // Journal Guidance Control Dynamics. 2008. V. 8. № 3. P. 360-365.

30. Wie B., Weiss H. Arapostathis A. Quarternion feedback regulator for spacecraft eigenaxis rotations // Journal Guidance Control Dynamics. 1989. V. 12. № 3. P. 375-380.

31. Ви Б., Уэйс Х., Эрэпостасис Э. Управление поворотами космического аппарата вокруг собственной оси с обратной связью по компонентам кватерниона // Аэрокосмическая техника. 1990. Вып. 3. С. 3-11.

32. Бирюков В.Г. Задачи определения ориентации и управления угловым движением твердого тела (космического аппарата): дис. ... канд. физ.-мат. наук. Саратов. 2005. 151 С.

33. Chaturvedi N. A., McClamroch N. H., Bernstein D. S. Asymptotic smooth stabilization of the inverted 3-D pendulum // IEEE Transactions on Automatic Control. 2009. V. 54. I. 6. P. 1204-1215.

34. Lee T., Leok M., McClamroch N. H. Optimal attitude control of a rigid body using

geometrically exact computations on SO(3) // Journal Dynamic Control Systems. 2008. V. 14, I. 4. P. 465-487.

35. Fjellstad O., Fossen T. I. Quaternion Feedback Regulation of Underwater Vehicles // Proceedings of the 3rd IEEE Conference on Control Applications (CCA'94). 1994. P. 857-862.

36. Fjellstad O.E., Fossen T. I. Position and attitude tracking of AUVs: A Quaternion Feedback Approach // IEEE Journal of Oceanic Engineering. 1994. V. 19. № 4. P. 512-518.

37. Fjellstad O.E., Fossen T. I. Singularity-free tracking of unmanned underwater vehicles in 6 DOF // Proceedings of 1994 33rd IEEE Conference on Decision and Control. 1994. V. 2. P. 1128-1133.

38. Design and global analysis of spacecraft attitude control system cite: технический отчет / G. Meyer - Washington D. C.: NASA Ames Research Center Moffett Field, 1971. 60 P.

39. Mortensen R. E. A globally stable linear attitude regulator // International Journal of Control. 1986. V. 8. I. 3. P. 297-302.

40. Slotine J. E., Di Benedetto M. D. Hamiltonian Adaptive Control of Spacecraft // IEEE Transactions on Automatic Control. 1990. V. 35. №. 7. P. 848-852.

41. Slotine J. J. E., Li W. On the Adaptive Control of Robot Manipulators // The International Journal of Robotics Research. 1987. V. 6. I. 3. P. 49-59.

42. Antonelli G., Chiaverini S. Singularity-Free Regulation of Underwater Vehicle-Manipulator Systems // Proceedings of the 1998 American Control Conference. ACC (IEEE Cat. No.98CH36207). 1998. V. 1. P. 399-403.

43. A novel adaptive control law for underwater vehicles / Antonelli G. et al. // Proceedings 2001 ICRA. IEEE International Conference on Robotics and Automation (Cat. No.01CH37164). 2001. V. 1. P. 447-452.

44. Adaptive Control of an Autonomous Underwater Vehicle: Experimental Results on ODIN / Antonelli G. et al. // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2001. V. 9. № 5. P. 756-765.

45. Antonelli G. On the use of adaptive/integral actions for six-degrees-of-freedom control of autonomous underwater vehicles // IEEE Journal of Oceanic Engineering. 2007. V. 32. № 2. P. 300-312.

46. Mrad F. T., Majdalani A. S. Composite adaptive control of astable UUVs // IEEE Journal of Oceanic Engineering. 2003. V. 28. № 2. P. 303-307.

47. Modeling and Control of Underwater Mine Explorer Robot UX-1 / Suarez Fernandez R. A. et al. // IEEE Access. 2019. V. 7. P. 39432-39447.

48. Nonlinear attitude control of a spherical underwater vehicle / Suarez Fernandez R. A. et al. // Sensors (Switzerland). 2019. V. 19. № 6. P. 1445.

49. Motion Control of Underwater Mine Explorer Robot UX-1: Field Trials / Suarez Fernandez R. A. et al. // IEEE Access. 2019. V. 7. P. 99782-99803.

50. Nonsingular fast terminal sliding mode control for an autonomous underwater vehicle / Zamora Suarez A.E. et al. // 2019 16th International Conference on Electrical Engineering, Computing Science and Automatic Control (CCE). 2019. P. 1-6.

51. Petrich J., Stilwell D.J. Robust control for an autonomous underwater vehicle that suppresses pitch and yaw coupling // Ocean Engineering. 2011. V. 38. I. 1. P. 197204.

52. Petrich J., Neu W.L., Stilwell D.J. Identification of a simplified AUV pitch axis model for control design: Theory and experiments // OCEANS 2007. 2007. P. 1-7.

53. Gibson S. B., Stilwell D.J. An Нда loop-shaping design procedure for attitude control of an AUV // OCEANS 2016 MTS/IEEE Monterey. 2016. P. 1-7.

54. Лямина Е. А., Егоров С.А. Особенности построения системы управления угловой ориентацией подводного аппарата для больших углов наклона // Инженерный журнал: наука и инновации. 2018. № 3(75). С. 6-17.

55. Лямина, Е. А. Подходы к построению системы управления угловым положением необитаемого подводного аппарата без ограничений на углы наклона // Труды Крыловского государственного научного центра. 2018. № S1. С. 224-234.

56. Гаврилина Е. А., Вельтищев В. В. Управление ориентацией высокоманевренного необитаемого подводного аппарата с использованием кватернионов // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2021. №2. С. 106-112.

57. Е.А. Гаврилина, В.Н. Честнов. Синтез системы управления высокоманевренного необитаемого подводного аппарата с использованием Нда подхода // Вестник МГТУ «Станкин». 2022. №1 (60). С. 64 - 72.

58. Е.А. Гаврилина. Подход к построению системы управления подводного аппарата повышенной маневренности, работоспособной во всем диапазоне углов ориентации // Подводные исследования и робототехника. 2022. №2 (40). С. 39-53.

59. E. A. Gavrilina, V. N. Chestnov, A. N. Kropotov, «A Decomposition Algorithm for Attitude Control of the Remotely Operated Vehicle at Large Pitch and Roll Angles» // 2019 18th European Control Conference (ECC). 2019. P. 3334-3339.

60. E.A. Gavrilina, V.N. Chestnov, «Synthesis of an Attitude Control System for Unmanned Underwater Vehicle Using H-infinity Approach» // IFAC-PapersOnLine. 2020. V. 53. I. 2, P. 14642-14649.

61. E. Gavrilina, V. Chestnov, «Singularity-Free Attitude Control of the Unmanned Underwater Vehicle» // 2020 24th International Conference on System Theory, Control and Computing (ICSTCC). 2020. P. 512-519.

62. E. Gavrilina, V. Veltishev, A. Kropotov, «Attitude Control System of a Highly Maneuverable Hybrid ROV for Ship-Hull Inspection» // OCEANS 2021: San Diego - Porto. 2021. P. 1-6.

63. Лямина Е.А., Егоров С.А. Особенности построения системы управления угловым положением подводного аппарата с учетом перекрестных связей между каналами для больших углов крена и дифферента // Управление в морских и аэрокосмических системах (УМАС-2016): Материалы 9-ой Мультиконференции по проблемам управления, Санкт-Петербург. 2016. С. 183-191.

64. Лямина, Е. А., Егоров С.А. Особенности построения системы управления угловой ориентацией подводного аппарата для больших углов наклона // Технические проблемы освоения Мирового океана. 2017. Т. 7, С. 351-356.

65. Гаврилина Е.А. Управление ориентацией необитаемого подводного аппарата с использованием кватернионов // Материалы Национальной научно-практической конференции с международным участием в рамках Международного научного форума «Каспий 2021: пути устойчивого развития». 2021. C.86-90.

66. Экспериментальное исследование алгоритмов управления ориентацией необитаемого подводного аппарата при больших углах наклона / Гаврилина Е.А. [и др.] // Материалы XVI Всероссийской научно-технической конференции «МС0И-2019». 2019. Т.П. C.95-99.

67. Гаврилина Е.А., Честнов В.Н. Система управления ориентацией НПА с режимами движения при больших углах наклона // Материалы XV Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления» и XI молодёжной школы-семинара «Управление и обработка информации в технических системах». 2020. C. 214 - 218.

68. Carl D., Jane's Unmanned Maritime Vehicles. UK : IHS Markit, 2017. P. 373.

69. Sea Wasp: An Advanced ROV For Explosive Ordnance Disposal [Электронный ресурс] // Naval Forces. URL: https://www. spsnavalforces.com/story/?id=791 &h=Sea-Wasp%E2%80%94An-Advanced-Rov-for-Explosive-Ordnance-Disposal (дата обращения 31.11.2022)

70. Nassiraei A. A. F., Sonoda T., Ishii K. Development of ship hull cleaning underwater robot // 2012 Fifth International Conference on Emerging Trends in Engineering and Technology. 2012. P. 157-162.

71. Analyzing the Current Market of Hull Cleaning Robots / A.P. Curran. et al. // Worcester Polytechnic Institute. 2016. URL. https://digitalcommons.wpi.edu/iqp-all/2693 (дата обращения 10.11.2021)

72. Jacobs T. Robotic Roustabouts for Tomorrow's Subsea Fields // J. Pet Technol 66. 2014. №1. P. 50-55.

73. Bhattacharyya S., Asada H.H. Control of a compact, tetherless ROV for in-contact inspection of complex underwater structures // 2014 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. 2014. P. 2265-2272.

74. Osterloh C., Pionteck T., Maehle E. MONSUN II: A small and inexpensive AUV for underwater swarms // ROBOTIK 2012 7th German Conference on Robotics. 2012. P. 1-6.

75. Micro underwater vehicle hydrobatics: A submerged furuta pendulum / Duecker D. A. et al. // 2018 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). 2018. P. 7498-7503.

76. Design and development of an attitude control system for a human-sized ROV / Sakagami N. et al. // 2010 11th International Conference on Control Automation Robotics & Vision. 2010. P. 2141-2146.

77. Pitch and roll control using independent movable floats for small underwater robots / Sakagami N. et al. // 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. 2011. P. 4756-4761.

78. Матвеев В. В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем. СПб.: Электроприбор, 2009. 280 C.

79. Titterton D., Weston J. Strapdown Inertial Navigation Technology // American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2004. 574 P.

80. Ozgoren M. K. Comparative study of attitude control methods based on Euler angles, quaternions, angle-axis pairs and orientation matrices // Transactions of the Institute of Measurement and Control. 2019. V. 41. № 5. P. 1189-1206.

81. Okasha M., Newman B. Switching algorithm to avoid attitude representation singularity // AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference. 2009. P. 1-17.

82. Singla P., Mortari D., Junkins J.L. How to avoid singularity when using Euler angles? // Advances in the Astronautical Sciences. 2005. V. 119. P. 1409-1426.

83. Ikeda Y. Discrete-Time Nonlinear Attitude Tracking Control of Spacecraft // Gyroscopes - Principles and Applications. UK : IntechOpen, 2019. DOI: 10.5772/intechopen.87191.

84. Research on attitude singularity problem of small tail-sitter aircraft / Wu B. et al. // Applied Mechanics and Materials. 2014. V. 599-601. P. 401-404.

85. Kang C. W., Park C.G. Euler angle based attitude estimation avoiding the singularity problem // IFAC Proceedings Volumes. 2011. V. 44. I. 1. P. 2096-2102.

86. Egeland O., Godhavn J. M. Passivity-based adaptive attitude control of a rigid spacecraft // IEEE Transactions on Automatic Control. 1994. V. 39. № 4. P. 842846.

87. Diebel J. Representing attitude: Euler angles, unit quaternions, and rotation vectors // Matrix. 2006. V. 58. №15. P. 1-35.

88. Okasha M., Newman B. Switching principles to circumvent Euler angle singularity // AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference. 2010. P. 1-16.

89. Shuster M. D. A Survey of Attitude Representations // Journal of The Astronautical Sciences. 1993. V. 41. № 4. P. 439-517.

90. Schaub H., Junkins J. L. Stereographic Orientation Parameters For Attitude Dynamics: A Generalization of the Rodriques Parameters // Journal of the Astronautical Sciences. 1996. V. 44. I. 1. P. 1-19.

91. Fossen T. I. Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control. UK : John Wiley & Sons Limited, 2011. P. 736.

92. Fossen T. I. Marine Control Systems. Guidance, Navigation and Control of Ships, Rigs and Underwater Vehicles. N. : Marine Cybernetics, 2002. P. 570.

93. Fossen T. I. Guidance and control of ocean vehicles. UK : John Wiley & Sons, 1994. P. 494.

94. Fossen T. I., Balchen J. G. The NEROV autonomous underwater vehicle // OCEANS 91 Proceedings. 1991. V. 3. P. 1414-1420.

95. Лукомский Ю. А., Чугунов В. С. Системы управления морскими подвижными объектами. Л: Судостроение, 1988. 272 С.

96. Пантов Е.Н., Махнин Н.Н., Шереметов Б.Б. Основы теории движения подводных аппаратов. Л: Судостроение, 1973. 217 С.

97. Егоров С.А. Управление положением телеуправляемого подводного аппарат в режиме совместного с носителем движения: дис. ... канд. техн. наук: Москва: 2002. 366 С.

98. Fossen T. I., Sagatun S.I. Adaptive control of nonlinear systems: A case study of underwater robotic systems // Journal of Robotic Systems. 1991. V. 8. I. 3. P. 393412.

99. Yoerger D.R., Cooke G., Slotine J.J.E. The Influence of Thruster Dynamics on Underwater Vehicle Behavior and Their Incorporation Into Control System Design // IEEE Journal of Oceanic Engineering. 1990. V. 15. № 3. P. 167-178.

100. Kim J., Hant J., Chung W. K. Accurate and practical thruster modeling for underwater vehicles // Ocean Engineering. 2006. V. 33. I. 5-6. P. 566-586.

101. Bessa W. M., Dutra M. S. Kreuzer E. Dynamic positioning of underwater robotic vehicles with thruster dynamics compensation // International Journal of Advanced Robotic Systems. 2013. V. 10. P. 1-8.

102. Feedback-linearizing control for velocity and attitude tracking of an ROV with thruster dynamics containing input dead zones / Boehm J. et al. // 2019 American Control Conference (ACC). 2019. P. 5699-5704.

103. Vito D. D. Vehicle Adaptive Control for Underwater Intervention Including Thrusters Dynamics // 2018 IEEE Conference on Control Technology and Applications (CCTA). 2018. P. 646-651.

104. Крутько П.Д. Обратные задачи динамики в теории автоматического управления. М: Машиностроение, 2004. 576 C.

105. Особенности построения и экспериментальная отработка информационно-управляющей системы гибридного телеуправляемого подводного аппарата / Гамазов Н.И. [и др.] // Материалы шестой всероссийской научно-технической конференции «Технические проблемы освоения мирового океана» (ТПОМО-6). 2016. Т. 6. С. 401-405.

106. Егоров С.А., Молчанов А. В. Обзор алгоритмов локальных контуров управления движением подводных аппаратов // Машиностроение и компьютерные технологии. 2011. №. 3. С. 1-10.

107. Rúa S., Vasquez R. E. Development of a Low-Level Control System for the ROV Visor3 // International Journal of Navigation and Observation. 2016. V. 2016. DOI: 10.1155/2016/8029124.

108. Monroy J. A., Campos E., Torres J. A. Attitude control of a Micro AUV through an embedded system // IEEE Latin America Transactions. 2017. V. 15. № 4. P. 603-612.

109. Sakiyama J., Motoi N. Position and Attitude Control Method Using Disturbance Observer for Station Keeping in Underwater Vehicle // IECON 2018 - 44th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. 2019. P. 5469-5474.

110. Saturation based nonlinear depth and yaw control of underwater vehicles with stability analysis and real-time experiments / Campos E. et al. // Mechatronics. 2017. V. 45. P. 49-59.

111. Santhakumar M., Asokan T. Attitude control of flatfish shaped autonomous underwater vehicle // 2008 IEEE Region 10 and the Third international Conference on Industrial and Information Systems. 2008. P. 1-6.

112. Khalil H. K. Nonlinear Systems. New Jersey: Prentice Hall, 2001. P. 374.

113. Sarhadi P., Noei A. R., Khosravi A. L1 adaptive pitch control of an autonomous underwater vehicle // International Journal of Intelligent Unmanned Systems. 2014. V. 2. № 2. P. 107-120.

114. Sarhadi P., Noei A. R., Khosravi A. Adaptive integral feedback controller for pitch and yaw channels of an AUV with actuator saturations // ISA Transactions. 2016. V. 65. P. 284-295.

115. Desoer C., Wang Y. T. On the generalized nyquist stability criterion // IEEE Transactions on Automatic Control. 1980. V. 25. № 2. P. 187-196.

116. Giulietti F., Tortora P. Optimal Rotation Angle About a Nonnominal Euler Axis // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 2007. V. 30. №5. P. 1561-1563.

117. De Angelis E. L., Giulietti F. Unified kinematic framework for a non-nominal Euler axis/angle rotation // Acta Astronautica. 2015. V. 116. P. 333-338.

118. D'Amario L. A., Stubbs G. S. A New Single-Rotation-Axis Autopilot for Rapid Spacecraft Attitude Maneuvers // Journal of Guidance and Control. 1979. V. 2. №4.

P. 339-346.

119. Sanyal A. K., Bohn J., Bloch A. M. Almost global finite time stabilization of rigid body attitude dynamics // 52nd IEEE Conference on Decision and Control. 2013. P. 3261-3266.

120. Chaturvedi N. A., Sanyal A., N. H. McClamroch Rigid-Body Attitude Control. Using rotation matrices for continuous, singularity-free control laws // IEEE Control Systems Magazine. 2011. V. 31. №3. P. 30-51.

121. Forbes J. R. Direction-cosine-matrix-based attitude control subject to actuator saturation // IET Control Theory & Applications. 2015. V. 9. I. 11. P. 1653-1661.

122. Lee T. Global Exponential Attitude Tracking Controls on SO (3) // IEEE Transactions on Automatic Control. 2015. V. 60. № 10. P. 2837-2842.

123. Salcudean S. A globally convergent angular velocity observer for rigid body motion // IEEE Transactions on Automatic Control. 1991. V. 36. № 12. P. 14931497.

124. Jang J. T., Gong H.C., Lyou J. Computed Torque Control of an Aerospace Craft Using Nonlinear Inverse Model and Rotation Matrix // 2015 15th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS). 2015. P. 1743-1746.

125. Adaptive finite-time backstepping control for attitude tracking of spacecraft based on rotation matrix / Huang B. et al. // 2017 36th Chinese Control Conference (CCC). 2017. P. 1180-1185.

126. Zou Y. Nonlinear hierarchical control for quad-rotors with rotation matrix // International Journal of Control. 2017. V. 90. № 7. P. 1308-1318.

127. Ghiglino P., Forshaw J. L., Lappas V. J. OQTAL: Optimal quaternion tracking using attitude error linearization // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 2015. V. 51. № 4. P. 2715-2731.

128. Wen J. T., Kreutz-delgado K. The attitude control problem // IEEE Transactions on Automatic Control. 1991. V. 36. № 10. P. 1148-1162.

129. Joshi S. M., Kelkar A.G., Wen J. T. Robust attitude stabilization of spacecraft using nonlinear quaternion feedback // IEEE Transactions on Automatic Control. 2002. V. 40. № 10. P. 1800-1803.

130. Dwyer III T. A. W., Sira-Ramirez H. Variable-structure control of spacecraft attitude maneuvers // Journal of Guidance, Control, and Dynamics.1988. V. 11. № 3. P. 262-270.

131. Attitude control of a spacecraft with a strapdown inertial reference system and onboard computer / J. Hrustdr - Washington D. C.: Goddard Space Flight Center, 1970. 26 P.

132. Tsiotras P. New Control Laws for the Attitude Stabilization of Rigid Bodies // IFAC Proceedings Volumes.1994. V. 27. I. 13. P. 321-326.

133. Boskovic D.M., Krstic M. Global attitude/position regulation for underwater vehicles // Proceedings of the 1999 IEEE International Conference on Control Applications (Cat. No.99CH36328). 1999. V. 2. P 1768-1773.

134. Gollu N., Rodrigues L. Control of Large Angle Attitude Maneuvers for Rigid Bodies Using Sum of Squares // 2007 American Control Conference. 2007. P. 3156-3161.

135. Crassidis J. L., Markley F.L. Sliding mode control using modified Rodrigues parameters // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 1996. V. 19. № 6. P. 1381-1383.

136. Binette M. R., Damaren C. J., Pavel L. Nonlinear H» Attitude Control Using Modified Rodrigues Parameters // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 2014. V. 37. №6. P. 2017-2021.

137. Bhat S. P., Bernstein D. S. A topological obstruction to global asymptotic stabilization of rotational motion and the unwinding phenomenon // Proceedings of the 1998 American Control Conference. ACC (IEEE Cat. No.98CH36207). 1998. V. 5. P. 2785-2789.

138. Бесекерский В.А., Попов Е. П. Теория систем автоматического управления. М.: Наука, 1972. 768 С.

139. Дезоер Ч., Видьясагар М. Системы с обратной связью: вход-выходные соотношения. М.: Наука, 1983. 280 С.

140. Chestnov V. N. Synthesis of Multivariable Systems According to Engineering Quality Criteria Based on H »-Optimization // Automation and Remote Control.

2019. V. 80. № 10. P. 1797-1813.

141. Честнов В. Н. Синтез Нда -регуляторов многомерных систем заданной точности и степени устойчивости // Автоматика и телемеханика. 2011. Вып. 10. C. 170-185.

142. Александров А.Г. Методы построения систем автоматического управления. М.: Физматкнига, 2008. 232 С.

143. Барабанов А. Е., Первозванский А. А. Оптимизация по равномерно-частотным показателям (H-теория) // Автоматика и телемеханика. 1992. Вып. 9. С. 3-32.

144. Честнов В.Н. Синтез многомерных систем по инженерным критериям качества на основе Нда-оптимизации // Автоматика и телемеханика. 2019. Вып. 10. С. 132-152.

145. Linear Matrix Inequalities in System and Control Theory / Boyd S., El Ghaoui L., Feron E., Balakrishnan V. Philadelphia: SIAM, 1994. P. 193.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Схема построения СУ на основе кватернионов

Структурная схема системы управления ориентацией, основанной на кватернионах, приведена на Рис. П. 1.

Рис. П. 1 - Схема системы управления ориентацией НПА

Когда оператор управляет НПА в режиме 1, то система работает следующим образом. Оператор задает желаемое положение НПА с помощью углов курса , дифферента $0 и крена у0. Данные углы поступают в блок преобразователя углов Эйлера-Крылова в кватернион, где в соответствии с уравнениями (2.20) рассчитывается кватернион желаемого положения Л0. При этом кватернион, который описывает текущую ориентацию НПА, рассчитывается в информационно -измерительном комплексе НПА на основе измерений текущей угловой скорости ш НПА и интегрирования кинематических уравнений (2.18).

Ошибка ориентации рассчитывается в соответствии с уравнением (3.63) Рассчитанное значение ошибки ориентации поступает в регулятор СУ, при этом закон управления имеет вид:

= ^дпЫУГ^, + / ^ Ф,* - I = х,у,г,) = Ж.

где Кх,Ку,Кг,Кш Х,КШ уЛш г,Кдх,Кду,Кдг - коэффициенты СУ, выбранные исходя из требований устойчивости и качества сепаратных каналов управления креном, курсом и дифферентом соответственно.