Навигация и управление автономных подводных роботов

Инзарцев Александр Вячеславович; Киселев Лев Владимирович; Матвиенко Юрий Викторович

УДК 551.46.077:629.584

А.В. Инзарцев, JI.B. Киселев, Ю.В. Матвиенко*

НАВИГАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ АВТОНОМНЫХ ПОДВОДНЫХ РОБОТОВ

Рассматривается опыт создания и практического применения интегрированных систем навигации и управления автономного подводного робота, осуществляющего заданные программные миссии в сложных и экстремальных условиях среды. Приводятся данные морских натурных испытаний навигационного комплекса в составе подводного робота

«»

широтах Арктики при обследовании хребта Ломоносова.

; ; -стические системы; подледные исследования; Арктика.

A.V. Inzarcev, L.V. Kisilev, Yu. V. Matvienko AUTONOMOUS UNDERWATER ROBOT NAVIGATION AND CONTROL

The work examines the experience in developing and applying the integrated positioning and control systems of the autonomous underwater robot performing the preset program missions in a severe and extreme environment. The paper also outlines the data from the full-scale sea tests of the navigation system as part of the underwater robot “Klavesin” and results of its trial performance during under-ice operations of the Lomonosov range survey in the high latitudes of the Arctic.

Underwater robots; navigation system; onboard autonomous and acoustic systems; underice research; the Arctic.

В настоящее время для проведения глубоководных работ и океанографических исследований создаются и используются разнообразные робототехнические средства, включая автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА), эффективные в особенности при работе на больших глубинах, подо льдом, в других экстремальных условиях подводной среды. В ряде стран создано значительное число аппаратов , , , -, .

Разработка средств навигационного обеспечения была и остается одной из приоритетных в общей структуре работ, выполняемых при создании подводных роботов. Как правило, в составе современных подводных аппаратов используются на, , спутниковые системы навигации [1-3]. В Институте проблем морских технологий ()

6 000 [3-5].

опыт разработки и эксплуатации различных навигационных средств. Созданные за прошедшие годы навигационные средства имели различную дальность действия, , , целом были направлены на решение задач, обеспечивающих надежную и достоверную навигационную поддержку АНПА различного назначения.

По опыту всех предшествующих работ перечень этих задач включает:

♦ определение и отображение на борту обеспечивающего судна текущего местоположения АНПА в условиях мелкого и глубокого моря,

* Авторы выражают благодарность сотрудникам ИПМТ ДВО РАН - участникам разработки и испытаний навигационного комплекса АНПА, а также коллегам из организаций, участвовавшим в создании и проведении комплексных испытаний. отдельных систем в составе АНПА «Клавесин».

♦ безопасное выполнение рабочих ми ссий вблизи дна и донных препятствий,

♦ управление ходом миссии с борта судна,

♦ получение на борту судна инфо рмации о состоянии систем АНПА.

♦ определение текущих координат АНПА на его борту,

♦

системы за счет отсутствия стационарно установленных средств (маяков),

♦ высокоскоростной обмен информацией между АНПА и судном по гидроакустическому каналу связи,

♦ приведение аппарата в зону действ ия гидроакустических средств и обеспечение связи для управления в ближней зоне.

В навигационном оснащении современных аппаратов, создаваемых в ИПМТ , , спутниковой систем навигации [5-7]. Каждая из систем, в свою очередь, представляет собой комплекс устройств, входящих в общий базовый состав систем АНПА и судового оборудования (рис. 1).

Рис. 1. Навигационные средства АНПА

Навигационным оборудованием в различных условиях работ решаются две задачи. Первая заключается в достижении максимальной точности навигационной привязки, характерной для поисковых работ и детального обследования выделенных районов. Вторая состоит в контроле текущего положения АПР, например, при выполнении перехода в район работ или проведения обзорных гидролокаци-.

Для достижения максимальной точности безальтернативными являются . , -пространения гидроакустических сигналов в районе работ, оценка относительной погрешности измерения дальности может быть не более 10-3. При наличии сети - , -сурс в части увеличения точности - увеличение числа одновременно наблюдае-

мых маяков. Очевидно, что применение ГАНС ДБ ограничивает район работ аппарата зоной действия маяков и требует много времени на установку, координирование и съем маяков. При отсутствии установленных маяков судовая навигационная антенна обычно используется для работы в режиме ГАНС УКБ и обеспечивает контроль местоположения АПР. В этом случае положение источника на, , путем измерений его дальности и углового положения с борта ОС при использовании в составе антенны специального многоэлементного приемника для фазовой обработки. В этом режиме определяются координаты объекта на борту носителя, но этого недостаточно для сопровождения миссии АНПА. Во-первых, получаемые координатные данные недоступны на борту самого АПР, во-вторых, отсутствует возможность управления аппаратом с борта судна, в-третьих, из-за меньшей, чем в ГАНС ДБ, навигационной точности. Поэтому судовая антенна в названном режиме наряду с определением текущего положения объекта должна поддерживать с ним информационный обмен.

Если информационный обмен между АНПА и судовой антенной обеспечен применением сложных навигационных сигналов, в структуре которых передается навигационная информация, то возможности комплекса расширяются за счет [5]:

♦ дополнительного канала измерения дальности и увеличения достоверности навигационных данных,

♦

,

♦ повышения точности координатной оценки, получаемой при работе угло-

,

♦ улучшением результатов траекторией обработки дальномерной информации за счет фильтрации данных о текущей скорости, курсе и координа-

, .

Аппаратура Г АНС ДБ содержит комплекты маяков, приемопередающей аппаратуры АНПА и судна. В целом комплекс обеспечивает навигацию, телеуправ, -ваемых с борта АНПА телевизионных кадров или гидролокационных изображений. Г идроакустический комплекс и его модификации, в котором кроме навигационной системы были реализованы системы телеметрии и телеуправления, успешно обеспечивал проведение реальных морских операций АНПА в течение трех по.

Бортовая автономная навигационная система (БАНС) представляет собой , , -емник GPS, работающие под управлением локальной вычислительной сети. Автономные навигационные средства в таком составе способны обеспечить осуществление жестких и корректируемых программных миссий и накопление информации о состоянии аппарата в процессе движения. Решение задач, связанных с обследованием объектов и работой аппарата в условиях повышенной автономности, приводит к необходимости разработки навигационного комплекса, позволяющего производить автономную коррекцию движения по текущим координатам аппарата и заданным координатам целей или ориентиров.

При длительной автономной работе аппарата важно обеспечить определение координат с максимально достижимой точностью, используя интегрированную БАНС. В общем случае навигационная ошибка при определении координат аппарата путем счисления пути зависит от целого ряда факторов: инструментальных , , , -ных, ошибки измерения скорости, в особенности, при неучтенном течении, ошиб-

ки начальной выставки ИНС. Очевидно, что суммарная навигационная погрешность при отсутствии коррекции от внешних измерителей накапливается во времени и при длительной работе аппарата становится недопустимо большой. При работе аппарата в мелководном районе ошибка может быть устранена благодаря возможности проводить коррекцию с помощью GPS при эпизодическом всплытии аппарата на поверхность.

В настоящее время наибольший практический интерес представляют следующие варианты комплексирования и коррекции навигационной информации на :

♦ коррекция ИНС (в полной конфигурации или в режиме гирокомпаса) от ДЛ (вблизи дна) и GPS (на поверхности моря);

♦ взаимная коррекция гироскопичес кого и магнитного компасов в различных режимах работы АНПА;

♦

ГАНС-ДБ (УКБ);

♦

с использованием данных ГАНС и GPS.

Отметим некоторые особенности навигации и управления, рассматривая в качестве примера АНПА «Клавесин».

Бортовой навигационный комплекс АНПА выполнен в двух конфигурациях, отличающихся типом используемой ИНС. В одной из конфигураций в качестве ИНС используется оптоволоконный гирокомпас , в другой - механическая ИНС на базе динамически настраиваемых гироскопов. В данной системе программным путем обеспечивается коррекция скорости с использованием измерений, поступающих от акустического доплеровского лага. Для совместной обработки данных от внутренних источников (гироскопов, акселерометров) и внешних источников (ДЛ, приемника GPS) используется фильтр Калмана.

При работе аппарата в ограниченном районе или в режиме сопровождения обеспечивающего судна коррекцию автономных координат можно осуществлять путем совместной обработки информации БАНС и ГАНС или путем передачи по гидроакустическому каналу связи навигационных данных на аппарат наряду с данными телеметрии и командами телеуправления. Приведенные варианты комплексирования систем проверялись при многократных натурных испытаниях в условиях мелкого и глубокого моря, а также в условиях высоких широт Арктики при обследовании континентального шельфа в районе хребта Ломоносова [5].

« »,

выполнены исследования геологических характеристик дна на площади более 50 кв. км на глубинах 1 400-1 600 м.

В ходе экспедиции подводным аппаратом были выполнены следующие работы:

♦ батиметрическая съемка участка дна площадью 50 кв. км,

♦ гидролокационная съемка поверхности морского дна,

♦ акустическое про филирование грунта,

♦ маршрутная фотосъемка отдельных участков дна,

♦ измерения температуры и электропроводности воды.

Для работы в открытой воде и в условиях умеренных широт АНПА «Клавесин» оснащен гидроакустическими средствами навигации и управления, применение которых на Севере в штатных режимах ограничивалось рядом обстоятельств.

Работа ГАНС УКБ в штатном составе оснащена магнитным датчиком курса, который в полярных широтах дает большую погрешность. Постановка в районе работ донных гидроакустических маяков-ответчиков, возвращаемых или разовых, и развертывание ГАНС ДБ в штатном режиме неэффективны из-за дрейфа ледово-

го поля. При значительном удалении приводящей акустической антенны, дрейфующей вместе с судном, резко ухудшаются условия гидроакустического контроля и управления работой с борта носителя. Постановка поверхностных маяков ГАНС ДБ также имеет свои недостатки. Все перечисленные факторы были учтены при организации навигационного сопровождения АНПА. По контуру полыньи, выбранной для пуска и всплытия АНПА, устанавливались три маяка-ответчика ГАНС ДБ с максимально возможными дистанциями между ними. Координаты маяков определялись в момент их постановки и непосредственно перед стартом ,

данных. Положения маяков периодически уточнялись, и обновленные данные вводились в навигационную программу. Текущее положение судна и соответственно выставляемой судовой антенны определялись штатным приемником спутниковой .

, .

Фиксировались координаты стартовой точки АНПА на поверхности. Далее по данным ГАНС ДБ определялись координаты точки старта миссии АНПА у дна и соответственно точки начала координат работы бортовой навигационной системы. При выполнении миссии текущая траектория движения АНПА счислялась по данным бортовых датчиков абсолютной скорости, курса, глубины, крена, дифферента.

По данным телеметрии, передаваемой с борта АНПА по гидроакустическому ,

времени на борту обеспечивающего судна. На навигационном планшете параллельно отображались траектория дрейфа судна с базой маяков и траектория движения АНПА относительно дрейфующей базы маяков. Накапливаемая ошибка системы счисления корректировалась по ряду дискретных точек, в которых расчет местоположения АНПА производился по данным ГАНС ДБ с использованием уточненных координат маяков (рис. 2).

б

Рис. 2. Расчет местоположения АНПА по данным ГАНС ДБ: а - отображение траектории на навигационном планшете (слева): А - относительно дна по данным БАНС; Б - относительно дрейфующей базы; б - траектория с восстановленной батиметрической картой при 22-х часовом пуске аппарата

(справа)

После завершения миссии АНПА выполнял процедуру автоматического выхода на судовой гидроакустический антенный модуль. На заключительной фазе приведения перед всплытием положение АНПА в полынье контролировалось по данным о дальностях аппарата от антенного модуля и каждого маяка. Команды на завершающие процедуры всплытия (подъем с глубины 20 м, а затем с глубины 5м) подавались при получении минимальной дальности до судовой антенны (не бо-20-25 ) (

АНПА от маяков).

При 22-часовом запуске суммарная ошибка БАНС, определенная как расхождение счисленных координат точки всплытия и координат, полученных при обсервации GPS, составила 1370 м или около 60 м/ч. Следует отметить, что в принятой структуре навигационного обеспечения заложены дополнительные возможности для коррекции счисленных координат и значительного уменьшения навигаци-.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Romeo J., Lester G. Navigation is Key to AUV Missions // Sea Technology. 2001. - Vo.42.

- № 12. - P. 24-29.

2. www.cc.technol.com/auv.php?id=6,www.ise.bc.ca/theseus.html,www.maiidan.dk.

3. . ., . ., . . . . -

темы и технологии / Под общей ред. М.Д. Агеева. - М.: Наука. - 2005. - 398 с.

4. Киселев Л.В., Инзарцев А.В., Матвиенко Ю.В., Ваулин Ю.В. Навигация и управление в подводном пространстве // Мехатроника, автоматизация, управление. -2004. - № 5.

- C. 23-28.

5. . ., . ., . . . -

// -

. - 2007. - 2. - C. 5-14.

Инзарцев Александр Вячеславович

Институт проблем морских технологий ДВО РАН.

E-mail: [email protected].

690950, . , . , 5 .

Тел.: 84232432416.

Киселев Лев Владимирович

E-mail: [email protected].

.: 84232432674.