Динамическое позиционирование автономного необитаемого подводного аппарата в мелководной зоне
Аннотация
В представленной работе рассматривается задача построения системы динамического позиционирования автономного необитаемого подводного аппарата в пространствеcмногоцелевой структурой. Стабилизация аппарата в заданном положении используется для обеспечения его стыковки с подводной станцией или получения более точной информации о морском дне при проведении исследований. Задача динамического позиционирования — одна из основных задач управления как надводными, так и подводными морскими объектами. Для надводных судов представлены многочисленные решения данной проблемы. Для подводных аппаратов получено меньшее количество результатов из-за достаточно сложной математической модели. Однако в случае динамического позиционирования в мелководной зоне возможны упрощения уравнения динамики, которые позволяют применить существующие подходы к управлению надводными судами для подводных аппаратов. Цель данной работы — усовершенствование системы управления с многоцелевой структурой, полученной на основе принципа разделения, за счет введения в закон управления дополнительного слагаемого, обеспечивающего астатизм замкнутой системы и экономичный режим работы приводов. Указанная система состоит из асимптотического наблюдателя, который восстанавливает скорости аппарата и очищает измерения от шума, и регулятора, решающего задачу динамического позиционирования. Предложенный в данной работе динамический корректор играет значительную роль на практике. Экономичный режим работы управляющих компонентов дает возможность уменьшить их износ и снизить общий расход топлива. Астатизм замкнутой системы позволяет исключить отклонение аппарата от заданного положения при воздействии на него постоянного возмущения, которое стандартно моделирует подводные и ветровые течения. Для иллюстрации эффективности системы проводится имитационное моделирование в среде Simulink на примере аппарата Kambara.
Литература
2. Sotnikova M.V., Veremey E.I., Korovkin M.V. Transoceanic routes optimization using dynamic properties of ship and weather conditions. 2017 Constructive Nonsmooth Analysis and Related Topics (dedicated to the memory of V.F. Demyanov) (CNSA). IEEE Press, St. Petersburg, Russia; 2017. p. 1-4. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1109/CNSA.2017.7974017
3. Veremei E.I. Synthesis of multi-objective control laws for ship motion. Gyroscopy and Navigation. 2010; 1(2):119-125. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1134/S2075108710020069
4. Loria A., Fossen T.I., Panteley E.A separation principle for dynamic positioning of ships: Theoretical and experimental results. IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2000; 8(2):332-343. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1109/87.826804
5. Veremey E.I., Sotnikova M.V. Optimal filtering correction for marine dynamical positioning control system. Journal of Marine Science and Application. 2016; 15:452-462. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1007/s11804-016-1370-x
6. Liu S., Wang D., Poh E.K., Wang Y. Dynamic positioning of AUVs in shallow water environment: Observer and controller design. Proceedings of the 2005 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics. Vol. 1. IEEE Press; 2005. p. 705-710. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1109/AIM.2005.1511065
7. Aguiar A.P., Pascoal A. Dynamic positioning and way-point tracking of underactuated AUVs in the presence of ocean currents. International Journal of Control. 2007; 80:1092-1108. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1080/00207170701268882
8. Bandara D., Leong Z., Nguyen H., Jayasinghe S., Forrest A.L. Technologies for under-ice AUV navigation. 2016 IEEE/OES Autonomous Underwater Vehicles (AUV). IEEE Press; 2016. p. 108-114. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1109/AUV.2016.7778657
9. Balchen J.G., Jenssen N.A., Mathisen E., Sælid S. A dynamic positioning system based on Kalman filtering and optimal control. Modeling, Identification and Control. 1980; 1(3):135-163. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.4173/mic.1980.3.1
10. Sotnikova M.V., Veremey E.I. Algorithms for Motion Optimization on a Given Trajectory Taking into Account Weather Forecast and Constraints. IFAC-PapersOnLine. 2018; 51(32):389-394. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2018.11.415
11. Viegas D., Batista P., Oliveira P., Silvestre C. Position and velocity filters for ASC/I-AUV tandems based on single range measurements. Journal of Intelligent & Robotic Systems. 2014; 74:745-768. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1007/s10846-013-9876-9
12. Desai R.P., Manjarekar N.S. Disturbance observer based sliding mode control for lateral motion of an AUV. 2021 Seventh Indian Control Conference (ICC). IEEE Press; 2021. p. 1-6. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1109/ICC54714.2021.9703168
13. Fossen T.I. Guidance and Control of Ocean Vehicles. New York: John Wiley & Sons; 1994. 494 p. (In Eng.)
14. Desai R.P., Manjarekar N.S. Controller Design for Steering and Diving Model of an AUV. In: Sanyal G., Travieso-González C.M., Awasthi S., Pinto C.M., Purushothama B.R. (eds.). International Conference on Artificial Intelligence and Sustainable Engineering. Lecture Notes in Electrical Engineering. Vol. 837. Springer, Singapore; 2022. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1007/978-981-16-8546-0_21
15. Petrich J., Stilwell D.J. Model simplification for AUV pitch-axis control design. Ocean Engineering. 2010; 37:638-651. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2009.11.007
16. Zavislak C., Keow A., Chen Z., Ghorbel F. AUV buoyancy control with hard and soft actuators. 2021 American Control Conference (ACC). IEEE Press; 2021. p. 1420-1425. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.23919/ACC50511.2021.9483109
17. Qi Z., Su Y. Research on integrated roll and yaw control strategy for AUV diving near surface. 2021 40th Chinese Control Conference (CCC). IEEE Press; 2021. p. 2339-2343. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.23919/CCC52363.2021.9549645
18. Desai R.P., Manjarekar N.S. Pitch channel tracking control of an autonomous underwater vehicle with delayed output. 2021 IEEE 18th India Council International Conference (INDICON). IEEE Press; 2021. p. 1-6. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1109/INDICON52576.2021.9691723
19. Bhattacharya D., Puttamadappa C. An effective pitch control technique for unmanned underwater vehicles based on type 2 fuzzy logic controller. 2021 International Conference on Computational Performance Evaluation (ComPE). IEEE Press; 2021. p. 180-187. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1109/ComPE53109.2021.9752186
20. Siddhartha V., Mahapatra S. Design of a state derivative optimal control law using LMI technique for diving motion of autonomous underwater vehicle. 2022 2nd International Conference on Artificial Intelligence and Signal Processing (AISP). IEEE Press; 2022. p. 1-5. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1109/AISP53593.2022.9760550
21. Desai R.P., Manjarekar N.S. Yaw channel control of an autonomous underwater vehicle using sliding mode control based on an extended state observer. OCEANS 2022 – Chennai. IEEE Press; 2022. p. 1-8. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1109/OCEANSChennai45887.2022.9775300
22. Wei Z., Hongtao W., Xinqian B., Zheping Y., Guoqing X. The application of self-tuning fuzzy PID control method to recovering AUV. 2012 Oceans. IEEE Press; 2012. p. 1-5. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1109/OCEANS.2012.6404908
23. Alonge F., D'Ippolito F., Raimondi F.M. Trajectory tracking of underactuated underwater vehicles. Proceedings of the 40th IEEE Conference on Decision and Control (Cat. No.01CH37228). Vol. 5. IEEE Press; 2001. p. 4421-4426. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1109/CDC.2001.980898
24. Liu S., Wang D., Poh E.K. A nonlinear observer for AUVs in shallow water environment. 2004 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). IEEE Press; 2004. Vol. 2. p. 1130-1135. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1109/IROS.2004.1389548
25. Essaouari Y., Turetta A. Cooperative underwater mission: Offshore seismic data acquisition using multiple autonomous underwater vehicles. 2016 IEEE/OES Autonomous Underwater Vehicles (AUV). IEEE Press; 2016. p. 435-438. (In Eng.) doi: https://doi.org/10.1109/AUV.2016.7778709
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Редакционная политика журнала основывается на традиционных этических принципах российской научной периодики и строится с учетом этических норм работы редакторов и издателей, закрепленных в Кодексе поведения и руководящих принципах наилучшей практики для редактора журнала (Code of Conduct and Best Practice Guidelines for Journal Editors) и Кодексе поведения для издателя журнала (Code of Conduct for Journal Publishers), разработанных Комитетом по публикационной этике - Committee on Publication Ethics (COPE). В процессе издательской деятельности редколлегия журнала руководствуется международными правилами охраны авторского права, нормами действующего законодательства РФ, международными издательскими стандартами и обязательной ссылке на первоисточник.
Журнал позволяет авторам сохранять авторское право без ограничений. Журнал позволяет авторам сохранить права на публикацию без ограничений.
Издательская политика в области авторского права и архивирования определяются «зеленым цветом» в базе данных SHERPA/RoMEO.
Все статьи распространяются на условиях лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная, которая позволяет другим использовать, распространять, дополнять эту работу с обязательной ссылкой на оригинальную работу и публикацию в этом журналe.
