Исследование и разработка принципов создания многофункциональных робототехнических комплексов для изучения и освоения Мирового океана

Объектом исследования являются морские робототехнические комплексы и их составные части, конструкции, датчики, движители, системы управления (СУ), системы электроснабжения, исследовательская аппаратура и т.д. Целью выполнения научно-исследовательских работ является разработка новых алгоритмов, методов и технологий создания подводных робототехнических комплексов, обладающих расширенными функциональными возможностями и удовлетворяющих повышенным требованиям по автономности и эффективности выполнения сложных миссий для изучения и освоения Мирового океана. Методы проведения исследований базируются на основных положениях теории и практики построения информационно-измерительных и управляющих систем, методах идентификации характеристик динамических систем, методах компьютерного моделирования и вычислительной геометрии, теории программирования, общей теории систем, анализа изображений, математической логики, численных методах математического анализа. В ходе выполнения НИР в 2022 г. были получены следующие новые научные результаты. 1) Разработана обобщенная имитационная модель динамики гибридных необитаемых подводных аппаратов (ГНПА), обеспечивающая адекватное отображение параметров движения и соответствие результатов моделирования экспериментальным данным. Также разработаны адаптивные алгоритмы распределения управляющих воздействия от регуляторов движения между движителями необитаемых подводных аппаратов (НПА), обеспечивающие максимальную эффективность использования движительно-рулевого комплекса во всем диапазоне скоростей движения аппарата от крейсерского хода до динамического позиционирования над донным объектом работ. При этом разработаны модели, методы и средства экспериментальных исследований влияния кабеля связи с донной станцией, обеспечивающим судном или буксируемым оборудованием на параметры движения многофункциональных НПА. 2) Разработаны методы удаленной отладки программного комплекса управления (ПКУ) автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА), а также алгоритмы и методы автоматизированной инспекции заданных фрагментов у объектов подводной промышленной инфраструктуры с помощью АНПА, способного длительное время функционировать под водой. Для точного перемещения АНПА в пределах объекта подводного добычного комплекса (ПДК) разработан метод навигации АНПА по отношению к объекту на базе видеораспознавания характерных точек и последующего выполнения, и уточнения координатной привязки АНПА к объекту. Исходными данными являются стереоизображения от бортовой видеокамеры АНПА и априорно заданная геометрическая модель объекта(ов) в виде набора характерных точек. Для увеличения точности навигации АНПА при длительных перемещениях между объектами в пределах кластера ПДК разработан метод генерации и применения виртуальной сети координатной привязки, которая также снижает вычислительные затраты при расчете инспекционной траектории в координатном пространстве подводного объекта. Также разработаны алгоритмы автоматизированной инспекции фрагментов ПДК с помощью АНПА, использующие упомянутый выше метод точной навигации. Процедура инспекции включает этапы спецификации миссии АНПА, сближения с объектами инспекции и определения оптимальной последовательности обхода объектов. Разработана группировка агентов тактического уровня, реализующая описанную модель поведения АНПА. Корректность подхода исследовалась в среде интегрированной моделирующей и управляющей системы АНПА. Кроме того, разработана методика отладки ПКУ для АНПА большой автономности, размещаемого на базе удаленного инструментально-программного комплекса моделирования (испытательного стенда). Для взаимодействия разработчиков со стендом используется Интернет-соединение. Разработана процедура настройки взаимодействия составных частей стенда, а также методика выполнения основных этапов отладки. Методика отладки использовалась при разработке ПКУ для одного из проектов, выполняемых ИПМТ ДВО РАН. 3) Предложен метод повышения точности навигационного обеспечения для групп АНПА с использованием гидроакустической навигационной системы на базе реконфигурируемой подводной акустической сети, который может быть полезен при обеспечении навигации АНПА в ситуации, когда он находится в зоне акустической тени и не принимает сигналы от одного или нескольких навигационных маяков. Полученные в ходе выполненного компьютерного моделирования результаты подтверждают работоспособность предложенного подхода и возможность его практического использования в сложных условиях, когда прямая акустическая видимость между АНПА и маяками может пропадать. 4) Выполнена модельная реализация решения задачи обнаружения шумящих объектов пассивными системами контроля подводной обстановки, использующими комбинированные скалярно-векторные приемники звука. Моделирование проводилось в системе Matlab. Проведены численные эксперименты и обработка данных натурного эксперимента, подтверждающих высокую эффективность разработанной модели. 5) Выполнена разработка математического обеспечения гидроакустических средств освещения подводной обстановки. В частности, разработан математический аппарат и алгоритмы моделирования акустического сигнала для широкого класса гидролокационных средств, обладающих приемопередающими антеннами с веерообразной диаграммой направленности (гидролокатор бокового и секторного обзора, многолучевой эхолот). Разработанная математическая модель генерации рельефа дна естественного и искусственного происхождения предназначена для моделирования сигнала гидролокатора и получения реалистичных эхолокационных снимков. В качестве достоинств используемого подхода можно выделить относительно небольшую вычислительную сложность применяемых алгоритмов (в сравнении с решением волнового уравнения с граничными условиями), а также потенциальную возможность распараллеливания вычислительных ресурсов на нескольких потоках, процессах и компьютерах. С целью проверки адекватности функционирования предлагаемого подхода была проведена серия численных экспериментов по моделированию акустических эхограмм и сигналов двух приемных антенн гидролокатора бокового обзора. Приведенные результаты позволяют судить о применимости изложенного подхода для отладки алгоритмов обработки гидролокационных сигналов, разработки методов обнаружения объектов на эхолокационных изображениях и иных задач, связанных с необходимостью получения модельных гидроакустических снимков. 6) Предложен подход к определению конструктивных параметров трансформатора системы бесконтактной передачи электроэнергии для заданных исходных условий, определяющих основные энергетические характеристики системы. Подход предлагается в виде частных методик для двух вариантов выполнения трансформаторов: на чашечных сердечниках и с плоскими магнитными экранами. Выбранные способы представления параметров в относительном виде для указанных исполнений трансформаторов позволяют исключительно просто масштабировать результаты решения с целью изменения передаваемой мощности для заряда аккумуляторных батарей с иными энергетическими характеристиками. Разработка методик расчета сопровождается сбалансированным сочетанием математического моделирования и натурного эксперимента, обеспечивающих достоверное подтверждение адекватности принятых математических моделей и оптимальное использование материальных ресурсов при постановке эксперимента. Предложенная новая методика аналитического расчета силового высокочастотного трансформатора позволяет получить его конструктивные параметры, обеспечивающих максимальной удельную мощность при заданном межосевом смещении обмоток и определенном зазоре между ними. Основой расчета является получение максимального значения ампер-витков первичной обмотки при полном использовании окна магнитопровода и допустимом перегреве провода. Результатом расчета являются число витков и сечение провода обмоток, а также значение частоты инвертора для заданного напряжения питания и выбранного типоразмера ферритового магнитопровода чашечного типа. Применение такого трансформатора в составе системы бесконтактного заряда аккумуляторных батарей позволяет повысить общую эффективность использования НПА. 7) Выполнено экспериментальное исследование вертикальной структуры звукового поля в скалярно-векторном описании. Отмечено принципиальное отличие вертикальной структуры скалярных и векторных полей в классическом и обобщенном решении. Использование комбинированных приемников позволяет значительно повысить помехоустойчивость приемной системы, областью применения которой является обнаружения и определения координат подводных движущихся объектов с использованием подводных роботов, оснащенных указанными комбинированными приемниками. 8) Выполнены разработка и исследование методов согласованного формирования программных сигналов управления НПА и установленными на них многозвенными манипуляторами (ММ). Эти методы позволяют повысить качество выполнения подводных манипуляционных операций НПА различного типа за счет автоматического управления скоростью движения рабочих инструментов (РИ) ММ, при которой сохраняется требуемая точность стабилизации НПА в режиме стабилизируемого зависания, а также точность отработки электроприводами многозвенника заданных траекторий РИ. Кроме того, за счет формирования программных сигналов для всех степеней подвижности ММ, закрепленного на подвижном основании (телеуправляемом или автономном НПА), способном перемещаться вблизи объекта работ, обеспечивается непрерывная и точная работа этого манипулятора в заранее неизвестной рабочей обстановке с исключением возможности входа указанного ММ во все критические положения, в которых корректное выполнение манипуляционных операций может нарушаться. 9) Определены наиболее эффективные сигнально-кодовые конструкции для нового класса многочастотных методов OFDM/N-OFDM уплотнения передачи цифровых данных в нестационарных гидроакустических средах. Разработаны новые оптимальные алгоритмы некогерентного детектирования многочастотных сигналов при значительной амплитудно-фазовой нестабильности и малом времени когерентности многолучевой гидроакустической среды распространения. Получены численные модели для нового класса многочастотных методов с некогерентной демодуляцией информационных символов в условиях аддитивного гауссовского шума и с различным типом импульсных характеристик гидроакустической среды распространения, а также различным доплеровским смещением многолучевых компонент. Численно показано ограничение спектральной эффективности многочастотных систем передачи информации величиной 0,5 бит/с/Гц в различных частотных диапазонах, нестационарных гидрологических условиях, с достижением максимальной дальности действия для достижения приемлемых уровней вероятности ошибки при декодировании информации. Создана опытно-конструкторская разработка платы цифровой обработки сигналов для синхронизации OFDM/N-OFDM сигналов на базе предложенных алгоритмов. Полученные результаты позволят повысить эффективность использования морских робототехнических комплексов для выполнения сложных подводных операции в заранее неизвестной и непрерывно изменяющейся обстановке.