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 (НИР) является разработка новых алгоритмов, методов и технологий создания подводных робототехнических комплексов (ПРК), 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 2023 г. были получены следующие новые научные результаты. 1) Разработана методика расчета границ зоны маневрирования необитаемого подводного аппарата (НПА) привязного типа, а также достижимой скорости его совместного движения с носителем для заданных значений глубины погружения, длины кабеля связи, скорости встречного течения и тяговых характеристик движительно-рулевого комплекса (ДРК) аппарата. Разработан алгоритм управления ДРК НПА адаптивный к влиянию установившейся скорости хода на тягу маршевых движителей (МД). Разработана имитационная модель динамики гибридного НПА (ГНПА) и его управляющего комплекса, соответствующая вертикальному маневрированию аппарата в режиме акустической станции (АС) для мониторинга подводной шумовой обстановки. Разработаны алгоритмы управления и вычислительный инструментарий для моделирования движения ГНПА при вертикальном и бесшумном маневрировании в режиме АС. 2) Для выполнения с помощью автономного НПА (АНПА) автоматизированной инспекции искусственных объектов (подводных частей судов, трубопроводов (ТП) и т.п.) разработаны алгоритмы поведения, а также методы определения точного положения и параметров движения АНПА относительно обследуемого объекта, базирующиеся на использовании видеопотока от бортовой стереокамеры и акустической дальномерной информации. Методы позволяют обнаруживать и проводить фотообследование протяженных объектов, находящиеся как на морском дне, так и в толще воды. Эффективность методов оценивалась по результатам модельных экспериментов, а также на основе реальных данных, полученных в ходе осмотра ТП с помощью АНПА. Для возможности выполнения инспекции объектов в покрытых льдом акваториях разработаны алгоритмы работы СУ АНПА, обеспечивающие движение АНПА подо льдом на различных горизонтах и поиск полыньи при необходимости выполнения незапланированного всплытия. Исследование и настройка алгоритмов проводилась с использованием разработанной методики отладки компонентов СУ АНПА на базе удаленного инструментально-программного комплекса моделирования (испытательного стенда). 3) Разработаны методы и алгоритмы обеспечения навигации для групп АНПА, использующие в своей работе, в том числе, метод рекурсивного численного оценивания на основе последовательного метода Монте-Карло (фильтр частиц). Создано специализированное программное обеспечение (ПО), предназначенное для выполнения компьютерного моделирования работы гидроакустических систем связи и навигации (ГАССН), отличительной особенностью которого является возможность применения для моделирования работы таких систем для группы АНПА. С помощью данного ПО проведено исследование разработанных методов и алгоритмов обеспечения навигации групп АНПА с целью подтверждения их работоспособности, выяснения возможности их практической реализации и целесообразности их применения в реальных морских условиях, а также оценивания потенциально достижимой точности определения местоположения АНПА. Получены результаты компьютерного моделирования, свидетельствующие об эффективности разработанных методов и алгоритмов навигации групп АНПА. 4) Выполнена имплементация в «систему на кристалле» разработанных алгоритмов для решения задачи обнаружения шумящих объектов пассивными системами контроля подводной обстановки, использующими комбинированные скалярно-векторные приемники (СВП) звука. На созданном макетном образце проведены лабораторные эксперименты по обработке в реальном масштабе времени данных, поступающих с аудиовыходов персонального компьютера (смоделирована аналоговая часть СВП). Разработан программный комплекс «Планшет оператора», позволяющий интерпретировать результаты работы макетного образца в виде диаграммы пеленга объектов в координатах частота – время – угол. Результаты проведенных исследований подтверждают эффективность применение технологии «системы на кристалле» для цифровой обработки в реальном масштабе времени сигналов СВП. 5) Проанализированы существующие методы построения изображений морского дна на основе данных гидролокатора бокового обзора (ГБО), выравнивающие характерные для эхолокационных снимков паразитные перепады яркости (засветки и затенения в местах наличия «боковых лепестков» диаграммы направленности антенны, убывание яркости с дальностью). Выявлены недостатки известных подходов, связанные преимущественно с их вычислительной сложностью, что существенно ограничивает их применение для обработки эхограмм на борту АНПА. Разработан новый метод построения изображений морского дна на основе данных ГБО с выравниванием яркостной составляющей эхограммы. Метод основан на применении экспоненциального скользящего среднего. К его достоинствам следует отнести плавное изменение яркости без изменения границ донных объектов и низкую ресурсоемкость, что позволяет его использовать для постобработки данных, так и для обработки эхограмм на борту АНПА в режиме реального времени. Проведены численные эксперименты по обработке реальных эхограмм ГБО, которые подтвердили высокую эффективность разработанного метода как в части качества обработанных данных (подавление паразитных засветок и затенений), так и в части скорости обработки данных. 6) Выполнено исследование особой группы бесконтактных электромагнитов, работающих с определенным рабочим немагнитным зазором между сердечником и внешним якорем. Определена область применения бесконтактных электромагнитов, содержащая задачи фиксации подводного аппарата на донной станции подводного базирования, режимам удержания привязного подводного аппарата на поверхности морских сооружений, включая области выше поверхности воды, при выполнении функций мониторинга или очистки и др. Выполнена постановка задачи исследования, имеющая своей целью разработку методики конструктивного расчета параметров устройства, отвечающего поставленным требованиям. Предложена конструкция бесконтактного электромагнита с увеличенным усилием при практически сохраненной массе и габаритах. Методы исследования сочетают аналитические выводы, натурные эксперименты и математическое моделирование. Результаты исследования содержат предложенную методику расчета конструктивных параметров бесконтактного электромагнита, обеспечивающего необходимое усилие притяжения при заданном рабочем зазоре с минимизацией массы при определенном напряжении питания обмотки и допустимой температуре перегрева провода обмотки. 7) Выполнена экспериментальная регистрация мелкомасштабных вихревых структур в каналах комбинированного приёмника (КП), которые становятся доминирующей составляющей суммарного звукового поля на частотах, меньших первой частоты продольного резонанса. Выполнена экспериментальная регистрация продольных резонансов в волноводе типа берегового клина, в котором небольшая клиновидность играет роль точной настройки волновода на резонанс на дискретном наборе частот полигармонического сигнала, излучаемого широкополосным электродинамическим излучателем. Выполнена верификация модельных решений, свидетельствующая о предпочтительности обобщённого решения, полученного в несамосопряжённой модельной постановке. Предложены защищённые патентами РФ алгоритмы обработки мелкомасштабных вихревых структур, повышающие помехоустойчивость приёмной системы на основе КП и дальность обнаружения малошумных источников. 8) Выполнены разработка, программная реализация и исследование СУ человеко-машинными ПРК, предназначенными для выполнения наиболее сложных и ответственных технологических операций в ручном и супервизорном режимах с обеспечением информационной поддержки деятельности операторов, а также с учетом ограниченной пропускной способности каналов связи с АНПА. Эта система адаптирует алгоритмы идентификации заранее известных подводных объектов с помощью облаков точек, полученных от системы технического зрения (СТЗ), для эффективного выполнения манипуляционных операции под контролем оператора в условиях изменяющейся пропускной способности гидроакустической системы связи. Предложенная система позволяет выполнять силовые контактные операции в режиме зависания АНПА с установленным многозвенным манипуляторам (ММ), не требуя установки дорогих многокомпонентных датчиков. При этом за счет установки на АНПА дополнительного движителя на поворотной платформе и согласованного управления тягами всех движителей аппарата обеспечивается компенсация динамических воздействий со стороны работающего манипулятора. Результаты проведенных экспериментальных исследований подтвердили работоспособность предложенной СУ АНПА, оснащенными ММ, а также ее эффективность использования для автоматического выполнения подводных контактных операций. 9) Разработана группа новых методов цифровой передачи информации для АНПА, основанная на принципах ортогонального частотного уплотнения. Данные сигналы не требуют оценки параметров гидроакустического канала связи, обладают устойчивостью к помехам импульсного типа, реверберационным помехам и частотным сдвигам отдельных лучевых компонент, возникающих из-за доплеровских эффектов. Метод ориентирован на решение задач связи и навигации для ПРК (АНПА, ТНПА и др.). В исследовании показана максимальная энергетическая эффективность передающих трактов для применяемых многочастотных методов, что позволяет достичь лучших отношений сигнал/шум на приемной стороне за счет минимизации пикфактора излучаемых сигналов. Эффективность предложенного нового метода с ортогональным частотным уплотнением подтверждена численными моделями, и натурными морскими экспериментами на дистанциях до нескольких километров в сложных гидрологических условиях мелководных акваторий при минимальных значениях вероятности ошибки на бит для передаваемых пакетов информации. 10) Рассмотрены вопросы синтеза, аппаратной и программной реализации СУ роботизированных комплексов (РК) при этом: уточнена классификация СУ робототехническими комплексами применительно к безэкипажным катерам (БЭК); рассмотрены и обоснованы требования, предъявляемые к СУ как самим БЭК, так и его полезными нагрузками; применительно к СУ уточнены и решены дифференциальные уравнения движения БЭК, полученные результаты используются для введения поправочных коэффициентов. На базе достижений схемотехники синтезирована СУ БЭК. Разработаны структурная, функциональная и принципиальная схемы СУ. Дано описание состава и характеристики приборного оборудования и микрокомпьютеров СУ РК. Дано описание состава и порядка взаимодействия СУ БЭК с оборудованием мачты. В итоге разработана и реализована конструкция блока радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), а также схема прокладки кабельных трасс в кокпите БЭК. Разработаны теоретические основы построения берегового поста управления (БПУ) БЭК, а именно: рассмотрены основы эргономического проектирование автоматизированных рабочих мест и пультов управления; сформулированы инженерно-психологические требования к пультам управления; рассмотрены инженерно-психологические характеристики пультов управления. Разработана общая архитектура БПУ и структура ПО БПУ БЭК. Разработан графический интерфейс операторов БПУ, а именно: графический интерфейс оператора главного монитора; графический интерфейс оператора монитор навигатора; графический интерфейс оператора монитора полезных нагрузок. В итоге фактически реализован БПУ БЭК как составная часть РК.