Разработка и моделирование системы управления движением автономного необитаемого подводного аппарата в базовой системе координат

• Автор: Гурман, Дмитрий Александрович
• Шифр специальности: 05.13.05, 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Ульяновск
• Количество страниц: 122 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1 АЛГОРИТМЫ НАВИГАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ
1.1 Постановка задачи
1.2 Основные источники навигационной информации
1.2 Л Спутниковые навигационные системы
1.2.2 Инерциальные навигационные системы
1.2.3 Лаги
1.2.4 Гидроакустическая навигационная система
1.3 Комплексирование навигационной информации
1.3.1 Комплексирование на уровне первичной обработки информации
1.3.2 Комплексирование на уровне вторичной обработки информации
1.3.3 Алгоритмы комплексирования навигационной информации АНПА
1.3.4 Алгоритмы комплексной обработки информации АНПА с применением акустических систем
1.4 Математическая модель движения АНПА
1.5 Алгоритмы управления движением АНПА
1.6 Выводы
Глава 2 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ОЦЕНИВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ И УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ АНПА
2.1 Постановка задачи
2.2 Алгоритмы оценивания координат и управления ПА
2.3 Алгоритмы оценивания координат и управления АНПА в дискретном
времени
2.4 Исследование алгоритмов оценивания параметров движения АНПА
2.4.1 Исследование для случаев наблюдений доплеровского лага и ИНС
2.4.2 Исследование СКО при различных параметрах подводных воздействий и погрешностей навигационных приборов
2.4.3 Определение СКО при временном пропадании наблюдений навигационных приборов
2.5 Анализ установившихся погрешностей оценок определения координат с помощью фильтра Калмана

2.6 Поточечная коррекция оценивания координат АНПА с использованием единичных наблюдений
2.7 Алгоритм SLAM с линейным фильтром Калмана
2.8 Оценка выигрыша эффективности оптимального управления в
базовой системе координат
2.9 Выводы
Глава 3 ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ АВТОНОМНОГО НЕОБИТАЕМОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА
3.1 Постановка задачи
3.2 Структура программного комплекса
3.3 Особенности программной реализации алгоритмического комплекса..
3.3.1 Визуализатор ЗБ-обстановки
3.3.2 Блок контроля исполнения миссии
3.3.3 Блок автоматического управления движением АНПА
3.3.4 Блок навигации
3.3.5 Блок комплексирования
3.3.6 Блок навигации по рельефу дна
3.3.7 Блок SLAM
3.4 Алгоритмы имитации органов активного управления движением

3.5 Взаимодействие устройств в составе АНПА
3.6 Интерфейс программного комплекса
3.7 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА
Приложение А Полный вид уравнений, описывающих динамику АНПА
Приложение Б Формат структур передачи данных
Приложение В Акт об использовании результатов диссертации

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность
В последние годы для исследования мирового океана и проведения разнообразных подводных работ все шире используются автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА). При выполнении ряда миссий АНПА должны проходить под водой значительные расстояния с малыми отклонениями от заданной траектории движения при отсутствии радиотехнических средств определения абсолютных координат.
В связи с этим для обеспечения необходимой точности навигационных систем применяется комплексирование различных автономных датчиков ускорений и скорости. Управление АНПА обычно осуществляется на основе определения рассогласования между оценками и заданными значениями параметров движения в связанной с АНПА системе координат (СК) с последующим использованием пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора. При прямолинейном характере движения такой подход позволил создать высокоэффективные системы автоматического управления движением (САУД).
Однако для сложных криволинейных заданных траекторий движения такой подход приводит к значительным трудностям. Эти трудности связаны с тем, что траектория движения задается в базовой СК, и для управления АНПА в связанной СК необходимо разбить заданную траекторию движения на приближенно прямолинейные участки. Переход на очередной участок представляет собой сложный маневр, требующий задания определенных коэффициентов ПИД-регулятора. Понятно, что при сложной траектории движения и большем числе аппроксимирующих отрезков прямых требуется длительная подготовка миссии и большой объем памяти бортового вычислительного устройства. Ситуация становится еще более сложной, если необходимо внести изменения в заданную траекторию движения в ходе выполнения миссии.

управления движением ПА по курсу, глубине, а также для управления его дифферентом.
Проблема автоматического управления автономными ПА стала рассматриваться совсем недавно.
В работе [27] рассматриваются некоторые сложности в постановке и решении задач управления движением ПА: неточность математического описания ПА; изменение его характеристик в процессе работы; изменчивость среды, в которой движется ПА.
В работах [51, 92] описано построение адаптивных систем управления (СУ) движением ПА, решающих задачи синтеза алгоритмов управления и обеспечивающих заданное качество процессов в реальном времени.
В работах [35, 36] предлагаются алгоритмы коррекции на основе анализа зависимостей области допустимых начальных отклонений АНПА по глубине, параметров аппарата и параметров управления.
В работе [34] рассматривается задача управления подвижным роботом по траектории, которая задается в аналитическом виде.
Одной из основных задач управления движением корабля является его стабилизация на заданном курсе [24]. Для удержания корабля на траектории вырабатываются поправки к заданному курсу, равному курсовому углу прямолинейного участка траектории и стабилизируют курс на этих участках с использованием ПИД-регулятора, реализующего обратную связь по отклонению курса от заданного, интеграла от этого отклонения и производной от него [42, 43, 56, 65]. Нелинейный характер модели морских судов, стохастический характер ветро-волновых возмущений, а также погрешностей датчиков приводят к достаточно сложной задачи синтеза оптимального управления.
В работе [32] представлены основные направления развития локальной вычислительной сети АНПА, к которым относятся минимизация размеров при сохранении функциональных характеристик. Улучшение алгоритмов управления направлено на увеличение автономности АНПА, за счет использования различных методов интеллектуального управления.