ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ ИНФОРМАЦИОННО …jmtp.febras.ru/journal/1-23-2017/44-49.pdf · Морские испытания полностью подтвердили

44

ПРОЕКТЫ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2017. № 1(23)

УДК62-529

ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ

ДЛЯ ТЕЛЕУПРАВЛЯЕМЫХ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ

В.Ф. Филаретов1, А.Ю. Коноплин2, Н.Ю. Коноплин2

В работе рассмотрен подход к созданию информационно-управляющей системы телеуправляемых под-водных аппаратов, основанный на использовании информации от различного навигационного оборудования и бортовых датчиков и позволяющий планировать маршруты перемещений аппаратов и судна-носителя в про-цессе выполнения подводных работ, а также формировать рекомендации и предупреждения для операторов. Архитектура системы обеспечивает простое построение и реализацию различных алгоритмов управления подводными аппаратами и их многозвенными манипуляторами с возможностью масштабирования и добавле-ния различного оборудования. При ее создании реализован пользовательский интерфейс, наглядно отобража-ющий всю необходимую информацию для успешного выполнения подводных операций, а также позволяющий загружать и формировать карты рабочей зоны, ставить путевые точки, сохранять данные и т.д. Эксперимен-тальные исследования созданной информационно-управляющей системы выполнялись в глубоководной на-учно-исследовательской экспедиции в Беринговом море с подводным аппаратом Sub-Atlantic Comanche 18. Разработанная система использовалась при обследовании морского дна, поиске различных объектов, виде-осъемке, селективном отборе морских организмов, а также взятии проб грунта и геологических пород. Исполь-зование реализованных алгоритмов позволило повысить качество подводных операций и сократить время их выполнения. Морские испытания полностью подтвердили высокую эффективность предложенной системы при относительной простоте ее практической реализации.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН 1

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий ДВО РАН 2

1690041,Владивосток,ул.Радио,5.E-mail:[email protected]

2690091,Владивосток, ул.Суханова, 5а.E-mail:[email protected]

ВВЕДЕНИЕ

Внастоящеевремядлявыпол-нения многих подводных опера-цийспомощьютелеуправляемыхпо кабелю подводных аппаратов(ТПА) (рис. 1) используется раз-личноетехнологическое, а такженавигационноеинаучно-исследо-вательскоеоборудование.ПриэтомдляэффективногоибезаварийногоуправленияТПАоператорампри-ходится анализировать большойобъем информации и учитыватьмножество ситуаций, изменяю-щихся в процессе выполненияподводныхопераций.Вчастности,дляточногоуправленияперемеще-ниямиТПАнеобходимознатьегорасположениевпространствеот-носительнообъектовработибло-

ка-заглубителя (рис. 1), учиты-ватьвлиянияподводныхтечений,атакжедрейф,положениеиори-ентациюобеспечивающегосудна-носителя.ВпроцессевыполненияподводныхоперацийнеобходимоконтролироватьрасстояниемеждуТПА и его блоком-заглубителем,атакжеразностьихглубинсце-лью предотвращения аварийногонатяжениягибкогокабеляиисклю-ченияситуаций,вкоторыхблок-за-глубительсоударяетсясдном.

Информационно-управляющиесистемы (ИУС) активно исполь-зуютсянаразличныхтипахТПА[1–3]. ИУС ТПА «Аква-ЧС» [2]позволяетграфическиотображатьегопространственнуюориентациюи конфигурацию установленногонанемподводногомногозвенного

манипулятора (ПММ), а описан-наявработе[3]системабортово-гоуправленияТПАМАКС-300Мобеспечиваетрежимыегодвиже-ния,необходимыедляавтономноговыполнениянекоторыхподводныхопераций.Однакоуказанныесис-темыневыдаютоператорамреко-мендаций (предупреждений) дляисключения аварийных ситуацийи не являются универсальными,посколькуспроектированытолькодля конкретных типов ТПА кон-кретныхпроизводителей.Поэтомуприизменениисоставаитипабор-тового оборудования необходимозановопроектироватьихИУС.

45



Рис. 1. ТПА в процессе выполнения операции

Вработе[4]рассмотренаинтел-лектуальнаяконтрольно-аварийнаясистема автономного подводногоаппарата, которая выполняет ди-агностикусостоянияегоаппарату-ры,выявляетаварийныеситуации,атакжевноситизмененияввыпол-няемыемиссии.Ноонаспроекти-рованадляавтономныхаппаратов,поэтомунеобеспечиваетдиалогасоператором,атакжеинтеллекту-альную и информационную под-держкуегоработы.

Внастоящеевремяразработа-ныиисследованысистемынави-гациииточногоавтоматическогоуправления различнымиТПА [3,5,6],методыихвысокоточнойста-билизациивблизиобъектовработ[7,8]иуправлениярежимамидви-женияПММ,устанавливаемыхнаэти аппараты [9, 10]. Указанныеразработки позволяют повыситькачество и скорость выполненияподводныхопераций,ноихширо-кое использование сдерживаетсяввидуотсутствияуниверсальныхИУС, включающих уже создан-ныесистемы.Поэтомудосихпорактуальна задача создания такихпрограммно-аппаратных средств,

которыепозволилибыобеспечи-вать реальную информационнуюи интеллектуальную поддержкудеятельности операторов ТПА,оснащаемых ПММ, используяиреализуяболееэффективныеси-стемыиалгоритмыуправления.

С учетом отмеченного це-лью работы, которой посвященаданная статья, является созданиеИУС,обеспечивающейпланирова-ниемаршрутаперемещенийТПАисудна-носителя,управлениеТПАиегоПММ,выдачупредупрежде-

ний и рекомендаций операторамовозможныхповрежденияхиава-рийныхситуацияхвпроцессера-бот.Крометого,этаИУСдолжнасодержать пользовательский ин-терфейс, позволяющий наглядноотображатьвсюнеобходимуюин-формациюдляуспешногоиэффек-тивного выполнения различныхподводныхопераций.

1. Реализация ИУС ТПАТПАиихсуда-носителииме-

ют различный состав бортовогооборудования и датчиков разныхпроизводителей, а поставляемоеснимипрограммноеобеспечение(ПО) имеет различные пользова-тельскиеинтерфейсы.Приуправ-лении аппаратом оператору при-ходитсяодновременнооцениватьисопоставлятьинформацию,по-лучаемуюотразличныхустройствисистем,отображаемуюсразунаразныхмониторах(рис.2).

Анализоператоромразличныхданных,получаемыхвразличнойформеиз различныхисточников,занимаетмноговремени.ПоэтомуоператорнеможетодновременноточноопределятьсмещенияТПА,его реальноеместоположение накартезоныработ,егорасстояниедоблока-заглубителя, оценивать ра-бочуюзонуиконфигурациюПММ

Рис. 2. Лаборатория управления ТПА Comanche 18 на НИС «Академик М.А. Лаврентьев»

46



идругиепараметры,быстроизме-няющиесявпроцессевыполненияпоставленныхзадач.Врезультатепроизводительность его работырезкоснижается, аутомляемостьвозрастаетвместесростомверо-ятностиошибокивозникновенийаварийныхситуаций.

ДляразличныхТПА,содержа-щих навигационные устройстваи бортовые датчики несколькихпроизводителей,создаваемаяИУСдолжна:

1)использоватьязыкпрограм-мированияC#,которыйпозволяетэффективноразрабатыватьвысоко-производительноемногозадачноеПОдлянаиболеераспространен-ныхкомпьютеровподуправлениемОСWindows8,8.1,10,используясовременныесредствасреды.NETFramework;

2)помимовзаимодействиясо-ответствующихустройствиобра-ботки информации обеспечиватьвыводисохранениенеобходимыхданныхдляееэффективногофунк-ционирования на современныхкомпьютерах с многоядернымипроцессорами;

3) реализовывать стандарт-ные протоколы обмена данными

сгидроакустическиминавигацион-нымикомплексами,GPSсистема-миикомпасамисудов-носителейТПА,абсолютнымидоплеровски-милагами, а такжеобеспечиватьподдержкубольшинствастандарт-ных форматов обмена даннымис возможностью задействованияновыхтиповустройствпримини-мальныхизмененияхсистемы;

4)создаватьнаглядныйиудоб-ныйпользовательскийинтерфейс,отображающийвсюнеобходимуюинформацию для успешного вы-полнения подводных операций(в том числе с помощьюПММ),иобеспечиватьзагрузкуилифор-мирование карт зоны работ, пла-нированиемаршрутов,постановкупутевыхточекидругиесопутству-ющиефункции;

5)обеспечиватьпростуюпра-ктическую реализацию различ-ныхалгоритмовуправленияТПАиПММ.

2. Особенности архитектуры созданной ИУССтруктурнаясхемасозданной

ИУС,обладающейприведеннымивыше свойствами, представлена

нарис.3.ОсновойэтойИУСяв-ляетсяядро,вкоторомдиспетчерзадачраспределяетвычислитель-ныересурсымеждумодулямиси-стемы,предоставляяимресурсыдля асинхронного выполнениявнутреннихфункцийвразличныхпотоках. Система коммуникациисвнешнимиустройствамивыпол-няетобменданнымисразличны-миустройствамиасинхронно,чтопозволяет минимизировать ма-шинное время, затрачиваемоенаожиданиеданных.

Навигационнаясистемаопре-деляетпараметрыдвижения,поло-жение,атакжепространственнуюориентациюТПАиобеспечиваю-щегоегосудна-носителянаосновеинформации,получаемойотиме-ющегосянавигационногообору-дования, а система определенияконфигурации ПММ формируетвектор его обобщенных коорди-нат. Система диагностированиясвоевременновыявляетнеисправ-ности в работе всех подсистеми уведомляет операторов ТПАосостоянииосновныхэлементовиблоковспомощьюграфическогоинтерфейса.

Система формирования карт,маршрутовирекомендацийсостав-ляеткартызонработ,определяетипланируетмаршрутыдвиженияТПА и обеспечивающего судна-носителя, формирует информа-циюотекущейпространственнойориентации ТПА и конфигура-цииПММ,атакжерекомендацииипредупрежденияоператоруовоз-можнойопасностидляпоследую-щего отображения графическиминтерфейсом.

Вблокеуправленияисполни-тельнымиустройствами(ИУ)фор-мируются желаемые (программ-ные) сигналы управления ТПАиПММ для выполнения требуе-мыхопераций.Прииспользованииновыхсистемиалгоритмовуправ-ленияТПАиПММбезвнесенияРис. 3. Обобщенная структурная схема ИУС ТПА

47



измененийвядроИУСпредложеноиспользоватьсистемуклассовбло-ковпрограммногоуправленияпри-водамиТПАиПММ,изображен-нуюнарис.4.

Вновь создаваемые системыи алгоритмы управления лег-ко инкапсулируются в классыAlgorithmUVиAlgorithmMM,на-следуемые от абстрактных клас-сов InterfaceUV и InterfaceMMсоответственно. Также необ-ходимо переопределить вирту-альные функции абстрактныхклассов: SetUVThrustersSpeed(),формирующуюпрограммныезна-чения желаемых скоростей вра-щения винтов движителей ТПА,и SetMMConfiguration(), форми-рующую программные значенияжелаемыхобобщенныхкоординатПММипараметровихдвижения.

Абстрактные классы Inter-faceUVиInterfaceMMнаследуютот класса StateDate и определя-ют интерфейсы взаимодействияалгоритмов управления ТПАиПММсядромИУСисблокомуправленияИУ.Приэтомвклас-се StateDate определено полеStatusStruct, содержащее инфор-мациюопараметрахисостоянииИУС,атакжеопределеныметоды,

позволяющие новым системами алгоритмам управления полу-чать информацию о глобальнойнавигации – GetGlobalNavig(),об инерциальной навигации –GetInertialNavig(),осудовойнави-гации–GetShipNavig()иоконфи-гурацииПММ–GetMMConfig().

Поскольку каждый тип ТПАиПММимеетсвоиИУ,тодляре-ализациисистемуправления(СУ)конкретными движителями ТПАиприводамиПММэтиСУнеоб-ходимоинкапсулироватьвклассы

RealisationUV и RealisationMM,наследуемыеотабстрактныхклас-совActuatorsUV иActuatorsММ,которые, в свою очередь, фор-мируются с учетом описанноговыше класса StateDate и опреде-ляют интерфейс взаимодействияблоковпрограммногоуправленияиуправлениянепосредственноИУ.Приэтомнеобходимопереопреде-лить соответствующие виртуаль-ные функции SetThrustersSpeed()иSetMMConfiguration(), реализу-ющие управление движителямиТПАиприводамиПММсоответ-ственно.

Предложенная архитектурапозволяетлегкорасширятьИУС,делая ее универсальной за счетвведенияразличныхсистемиалго-ритмовпрограммногоуправленияиСУИУ.

3. Экспериментальная проверка созданной ИУСЭффективность созданной

ИУСбылаэкспериментальнопро-веренав2016годувовремянауч-но-исследовательскойэкспедициив южную часть Берингова моряна НИС «АкадемикМ.А.Лав-рентьев» при погружении ТПАComanche 18 (рис. 5), оснащен-

Рис. 4. Диаграмма классов блоков управления ИУ ТПА и ПММ

Рис. 5. ТПА Comanche 18

48



ногоПММSchillingOrion7P.За-дачей экспедиции являлось ком-плексноеисследованиеэкосистемгидротермальных полей подвод-ноговулканаПийпаиподводныхгорсеверо-западнойчастиТихогоокеана.Подводныеработывелисьнаглубинахот345до4273метрови включали в себя обследованиесклоновивершинвулкана,поискразличныхобъектов,видеосъемку,селективныйотборморскихорга-низмов,атакжевзятиепробгрунтаигеологическихпород.

Созданная ИУС реализованана языке программирования C#.Она взаимодействует с маяками-ответчиками ТПА, обмениваетсяданными с судовой навигацион-ной системой, содержащей GPSикомпас,атакжесгидроакустиче-скимнавигационнымкомплексом,имеющим ультракороткую базуSonardyne Fusion. Это позволяетейспомощьюграфическогоинтер-фейса,изображенногонарис.6,од-новременнопоказыватьоператорунателемонитореместоположение

обеспечивающего судна-носите-ля и направление его движения,расположение блока-заглубителяотносительноэтогосудна,атакжепланировать и отслеживать мар-шрутдвиженияТПА.

ВовремяэкспериментовИУСпостоянноинформировалаопера-тораотекущейдистанциимеждуТПА и его блоком-заглубителем,а также о разности их глубин,помогая ему избегать натяжениягибкого кабеля и ситуаций, прикоторыхблок-заглубительмогсо-ударятьсясдном.Послеоператив-нойобработкивсейпоступающейинформации используемая ИУСпозволяла также формироватьи загружатьна телемониторкар-ты зоны работ, ставить путевыеточкииотображатьпринимаемуюот доплеровского лага NavigatorTeledyne RD Instruments инфор-мациюоскоростиинаправленияхперемещенияТПА.Всеэтодава-ло оператору возможность точноистребуемойскоростьюпереме-щатьТПАвзаданномнаправлении

Рис. 6. Интерфейс ИУС

даже при наличии неизвестныхподводныхтечений.

В построенной ИУС такжебылреализованалгоритмавтома-тической ориентации носа ТПАв сторону подъема поверхностидна [10]. Придерживаясь курсо-вогоугла,рекомендованногосис-темой,операторвсегданаправлялнос ТПА на склон морского днаипринималмерыпосвоевремен-нойостановкеегоспуска,атакжевносилкорректировкивпрограм-му погружения. Используя этоталгоритм, а также непрерывноеграфическоеотображениеконфи-гурацииПММ,операторуудалосьсущественно повышать скоростьибезопасностьвыполнениямани-пуляционных операций с учетомсложногорельефадна.

В целом во время реальнойэксплуатации ИУС зарекомен-довала себя как многофункцио-нальное,надежноеиэффективноесредство,позволившееболеечемв2разасократитьвремяобнару-женияизахватаподводныхобъек-

49



тов,атакжеизбежатьаварийныхситуацийвпроцессевыполнениядостаточно сложных исследова-тельскихзадачитехнологическихопераций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕВ работе предложен подход

к созданиюуниверсальнойИУС,реализующей различные систе-мыиалгоритмыуправленияТПАиустановленныминанихПММ,а также обеспечивающей интел-лектуальнуюиинформационнуюподдержку операторов, планируямиссии и выдавая рекомендациии предупреждения о возможныхаварийных ситуациях. Экспери-

ментальныеисследованияразрабо-таннойИУСполностьюподтвер-дили ее высокую эффективностьпривыполненииразличныхмис-сий и подводных операций. Раз-работанноеПОдляТПАрабочегои осмотрового классов активноиспользуется в научно-исследо-вательских экспедициях, способ-ствуязначительномуповышениюкачества и скорости выполнениядорогостоящихподводныхработ.

Однакоследуетотметить,чтодажесиспользованиемэффектив-ныхИУСработаТПАнабольшихглубинахзначительноосложняетсявлияниямикабель-тросаиотсут-ствием возможности свободного

перемещения ТПА без соответ-ствующих перемещений блока-заглубителя, а следовательно,иобеспечивающегосудна-носите-ля.Поэтомупривыполнениитех-нологическихоперацийнаиболеецелесообразнымиперспективнымявляетсяиспользованиеполуавто-номныхиполностьюавтономныхнеобитаемых подводных аппара-тов,оснащаемыхмногозвеннымиманипуляторами. Это позволитдешевле,прощеиэффективнеере-шатьпоставленныеглубоководныезадачи.

Работа выполнена в рамкахгрантовРФФИ16-29-04195офи_м,16-38-00488мол_а.

ЛИТЕРАТУРА

1.ЧерненкоК.В.,МолчановА.В.,ЕгоровС.А.,КуценкоА.С.Особенностипостроенияинформационно-управляющейсистемытелеуправ-ляемогоподводногоаппарата//Вестн.Моск.гос.техн.ун-таим.Н.Э.Баумана.Сер.Машиностроение.Спец.вып.«Специальнаяробототехникаимехатроника».2012.С.65–74.

2.ВельтищевВ.,КропотовА.,НиколаевЕ.,ЧелышевВ.,ХодкинА.Информационно-управляющаясистеманеобитаемогоподводногоаппа-рата//Современныетехнологииавтоматизации.1997.№2.С.46–49.

3.ВаулинЮ.В.,КостенкоВ.В.,ПавинА.М.Особенностинавигационногоиалгоритмическогообеспечениятелеуправляемогонеобитаемогоподводногоаппарата//Подводныеисследованияиробототехника.2013.№2(16).С.4–16.

4.ИнзарцевА.В.,ГрибоваВ.В.,КлещевА.С.Интеллектуальнаясистемадляформированияадекватногоповеденияавтономногоподводногороботававарийныхситуациях//Подводныеисследованияиробототехника.2015.№2(20).С.4–11.

5.ФиларетовВ.Ф.,ЮхимецД.А.Особенностисинтезавысокоточныхсистемуправленияскоростнымдвижениемистабилизациейподводныхаппаратоввпространстве.Владивосток:Дальнаука,2016.400с.

6.ScherbatyukA.,DubrovinF.DevelopmentofAlgorithmsforanAutonomousUnderwaterVehicleNavigationwithaSingleMobileBeacon:TheResultsofSimulationsandMarineTrials//Proc.oftheXХIIIntern.Conf.onIntegratedNavigationSystems.SaintPetersburg,Russia,2015.Р.144–152.

7.FilaretovV.F.,KonoplinA.Yu.SystemofAutomaticStabilizationofUnderwaterVehicleinHangModewithWorkingMultilinkManipulator//Intern.IEEEConf.onComputer,Control,InformaticsandItsApplications.Bandung,Indonesia,2015.Р.132–137.

8.КостенкоВ.В.,ПавинА.М.Автоматическоепозиционированиенеобитаемогоподводногоаппаратанадобъектамиморскогоднасисполь-зованиемфотоизображений//Подводныеисследованияиробототехника.2014.№1(17).С.39–47.

9.FilaretovV.F.,KonoplinA.Yu.SystemofAutomaticallyCorrectionofProgramTrajectoryofMotionofMultilinkManipulator InstalledonUnderwaterVehicle//ProcediaEngineering.2015.V.100.Р.1441–1449.

10.FilaretovV.F.,KonoplinA.Yu.,KonoplinN.Yu.,GorbachevG.V.Controlsystemforunderwatervehiclewithmultilinkmanipulatorforautomaticmanipulationoperations//Proceedingsofthe27thDAAAMIntern.Symp.Vienna:DAAAMInternational,2015.Р.714–720.

Documents

ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ ИНФОРМАЦИОННО …jmtp.febras.ru/journal/1-23-2017/44-49.pdf · Морские испытания полностью подтвердили